Eine große Schwachstelle im modernen Maschinenbau ist die herkömmliche Lagerung durch Wälz- und Gleitlager. Bei sich aufeinander bewegenden Teilen entsteht Reibung, die eine Verringerung des Wirkungsgrades und den Verschleiß der Bauteile mit sich zieht. Hinzu kommt, dass der Einsatz von Schmierstoffen in manchen Einsatzgebieten nur begrenzt möglich ist.

Um diese Probleme zu umgehen, baut man in solchen Fällen auf den Einsatz von Magnetlagern. Sie sind berührungslos und folglich reibungsfrei und benötigen somit auch keine Schmiermittel. Eliminierung von Lagergeräuschen, aktive Dämpfung von Vibrationen, veränderbare Lagereigenschaften, hochreine Betriebsbedingungen und erweiterte Analysefunktionen sind nur einige der weiteren Vorteile der Magnetlagertechnik.

Ein aktuelles Beispiel dieser Thematik stellt der Transrapid bzw. die Magnetschwebebahn dar, die mit Hilfe dieser Technik Geschwindigkeiten bis zu 500 km/h erreichen kann.

Das Exponat „Schwebende Kugel“ verdeutlicht, wie eine magnetische Abstandsregelung funktioniert. Es besteht aus einer Magnetspule, einem einfachen Abstandsmesssystems und einem analogen Regler, welcher eine Metallkugel im Magnetfeld zum Schweben bringt. Ein Strom I durch eine Spule mit Eisenkern baut ein Magnetfeld auf, dessen Kraft die Kugel in einer gewünschten Gleichgewichtslage im Abstand x vom Magneten hält.

Das inverse Pendel ist eines der Standardbeispiele der Regelungstechnik für die Stabilisierung einer instabilen Regelstrecke. Ein einachsiges Pendel ist drehbar an einem Wagen befestigt. Dieser wird durch einen Schrittmotor angetrieben und kann sich auf einer Schiene frei bewegen. Die Aufgabe des Aufbaus ist es, das Pendel mittels Bewegung des Wagens in eine aufrecht stehende Position zu bekommen und dort zu halten. Dafür stehen Messungen des Pendelwinkels und der Wagenposition zur Verfügung.

Die Schwierigkeit der Aufgabe liegt darin, das Pendel in einer eigentlich instabilen Ruhelage zu halten. Außerdem muss die Regelung auf die gegebenen Begrenzungen durch die Streckenlänge Rücksicht nehmen. Durch eine geeignete Reglerwahl ist der Wagen jedoch in der Lage, das Pendel auch bei größeren Störungen, z.B. durch Stöße zuverlässig zu stabilisieren.

Das inverse Pendel ist jedoch nicht nur ein rein akademisches Beispiel. So wird das Prinzip z.B. in Seismometern eingesetzt. Auch die Stabilisierung eines Segways oder eines humanoiden Roboters entspricht dem Wirkprinzip eines inversen Pendels.

Eines der neuesten Produkte des Roboterherstellers KUKA wurde dem Institut für Regelungstechnik zu Forschungszwecken zur Verfügung gestellt: Der Leichtbauroboter (LBR) 4. Während herkömmliche Roboter eine Messung und Regelung lediglich ihrer Position erlauben, verfügt der LBR 4 über die Fähigkeit, auch jegliche auf ihn einwirkenden Kräfte kontinuierlich zu erfassen. Mit Hilfe dieser Informationen kann, durch eine geeignete Regelungstechnik, ein dynamisches Verhalten des Roboters erzeugt werden, das dem von federnd gelagerten und gedämpften Massen im Raum entspricht - kurz: der Roboter wird nachgiebig - mit frei einstellbaren Federsteifigkeiten und Dämpfungskoeffizienten in allen Bewegungsgsfreiheitsgraden.

In dem Versuch werden die wichtigsten Eigenschaften des LBR 4 vorgestellt und einige Anwendungsmöglichkeiten, wie z.B. Trajektoriengenerierung, demonstriert. Der Endeffektor des Roboters wird als PT2-System eingestellt, dessen parameterabhängiges dynamisches Verhalten illustriert wird.

Fahrerassistenzsysteme wie beispielsweise abstandsgeregelte Tempomaten sind inzwischen weithin bekannt. Aktuelle Forschungsarbeiten an der RWTH Aachen gehen jedoch weit darüber hinaus, indem elektronisch gekoppelte Lkw-Konvois realisiert werden. Dabei wird nur noch das erste Fahrzeug von einem Fahrer gelenkt und die übrigen Fahrzeuge folgen diesem in einem sehr kurzen Abstand automatisch. Der Laborversuch soll anhand der Auslegung einer Abstandsregelung für die Konvoifahrt anschaulich zeigen, wie mit den Grundlagen der Regelungstechnik praktische Probleme gelöst werden können.

Immer häufiger kann man im Straßenverkehr eine neue Form der Mobilität beobachten: Personen, die sich auf einem magisch ausbalancierten Elektroroller agil und schnell fortbewegen. Bei diesem „Wunder der Technologie“ handelt es sich um einen mit Elektromotoren angetriebenen einachsigen Roller auf dem man sich aufrecht stehend mittels Gewichtsverlagerung fortbewegen kann. Dabei sorgt das Zusammenspiel aus drehmomentstarken Elektromotoren, leistungsfähigen Akkus, ausgeklügelten Sensoren und einer guten Portion Regelungstechnik dafür, dass das aufrecht stehende Mensch-Maschine Pendel sowohl im Stand als auch bei voller Fahrt nicht aus dem Gleichgewicht gerät.

Ein Gyroskop (Kreisel) und ein Beschleunigungssensor ermöglichen die Ermittlung des Neigungswinkels (Sollgröße) des Rollers. Die Regelung des Rollers versucht eine horizontale Position des Trittbretts einzustellen, d.h. den Neigungswinkel auf 0° zu regeln. Wirkt der Fahrer durch Gewichtsverlagerung aktiv als Störgröße auf den Prozess, so findet eine Ausgleichsbewegung induziert durch das Motormoment statt und dies solange bis eine horizontale Lage erreicht wird. Dies führt zum Aufbau einer Geschwindigkeit mit der sich der Fahrer auf dem Roller fortbewegt. Das dynamische System aus Roller und Fahrer wird also durch das vom Elektromotor aufgeprägte Drehmoment (Stellgröße) stabilisiert.

Mit dem kommerziellen Produkt "Segway" als Vorbild, haben wir am IRT unseren eigenen Elektroroller gebaut, um ihn mit Standard-Regelungsmethoden zu stabilisieren. Es wird im Kern lediglich eine einfache Zustandsrückführung benötigt, um den Roller am Umfallen zu hindern. Geeignete Koeffizienten der Rückführmatrix konnten mithilfe der Optimalen Zustandsrückführung bestimmt werden.

Der Versuch zeigt die Funktion des Eigenbaus und wie abhängig die Stabilität des Systems von geeigneten Reglerparametern ist. Dreht man die Dämpfung des Systems runter, fängt das System bei Anregungen an zu schwingen, so dass ein Fahren nicht mehr möglich wäre. Außerdem wird gezeigt, dass es für den Menschen quasi unmöglich ist, diese Regelungsaufgabe zu übernehmen.

Im diskreten Teil der Modellfabrik könnt ihr erfahren, wie sich heutzutage Automation in der Produktionstechnik darstellt:

Steuerung von Produktions- und Verpackungsprozessen unter Verwendung von pneumatischer und elektrischer Aktorik sowie optischer Sensorik, Kommunikation mit Hilfe von Bussystemen und dem Einsatz von Ethernettechnologie, Sichheitsanforderungen in der Automation, Bedienen und Beobachten von technischen Prozessen, Verfolgen von Produktzyklen mit neuster RFID Technologie uvm.

Dabei kommt brandaktuelle Hardware und Software namenhafter Hersteller zum Einsatz.

Roboter sind aus der heutigen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Erst durch den Einsatz von Robotern ist der heutige Grad der Automatisierung in der Produktion möglich. Sie übernehmen Füge-, Montage- und Transportarbeiten in den verschiedensten Industriebereichen. Roboter werden aber nicht nur in der Fertigung eingesetzt. Ihr Einsatzbereich erstreckt sich mittlerweile bis hin zur Medizin oder im Servicebereich.

Das IRT verfügt über eine Roboterschulungszelle von KUKA. Diese besteht aus einem Industrieroboter KR16 und weiteren Einbauten, wie z.B. einem Würfelmagazin. Durch diese Einbauten ist eine Schulung in der Roboterprogrammierung möglich die die gängigsten Aufgaben in der Industrie abdeckt. Dazu gehören z.B. pick and place Aufgaben, wie sie beim Palettieren von Stückgut oder bei Werkzeugwechseln in einer Fertigungszelle vorkommen. Oder z.B. die Programmierung von Bahnplanungsaufgaben, wie sie z. B. beim Schweißen, Lackieren oder Auftragen von Klebschichten in der Automobilindustrie vorkommen.

Da Industrieroboter für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Bewegungsabläufe mit hoher Präzision wiederholt durchgeführt werden müssen, spielt die Regelungs- und Steuerungstechnik eine grosse Rolle. Erst durch den Einsatz der Regelungstechnik ist es möglich die gewünschte Genauigkeit unter verschiedenen Lastzuständen beim Verfahren des Roboters zu erreichen. Die Regelung muss robust gegenüber Änderungen im Gewicht und den Trägheitsmomenten sein. Die Steuerungstechnik ist bei der Planung der Bahn von grosser Bedeutung.

In heutigen verfahrenstechnischen Anlagen existieren oft hunderte verschiedene Regelkreise (z.B. Füllstands-, Temperatur- oder Durchflussregelung), die mehr oder weniger miteinander gekoppelt sind. Zusätzlich haben solche Anlagen typischerweise eine große räumliche Ausdehnung, so dass zum Bedienen & Beobachten ein Leitstand erforderlich ist, in dem die ablaufenden Prozesse überwacht werden und erforderliche manuelle Eingriffe entfernt möglich sind. Bei einschleifigen Regelkreisen werden dabei in über 99% der Fälle „einfache“ PID-Regler zur Regelung eingesetzt.

Am IRT betreiben wir zu Lehr- und Forschungszwecken eine Modellfabrik, in der im kontinuierlichen Teil diese Anforderungen realitätsnah anhand von Beispielprozessen abgebildet werden.

In diesem Versuch werden mit Hilfe einer Füllstandsregelung die Probleme einer Mehrgrößenregelung anschaulich verdeutlicht. Zusätzlich können Regler selbst ausgelegt werden, um die Einflüsse verschiedener Parameter zu beobachten und die bisher in der Vorlesung verschwiegenen praktischen Probleme der Regelungstechnik kennenzulernen. Hierzu wird die Software PCS 7, ein aktuelles Prozessleitsystem von Siemens, eingesetzt.