Fakultät Maschinenbau
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Entwicklung eines Experimentalsystems zur Validierung adaptiver Regelungen mit einem OEM-Steuergerät
(2014)
Im Rahmen des Kooperationsprojektes "ACES" (Integrated Adaption of Linear Controllers for Embedded Systems) ist ein Prüfstand zur Validierung adaptiver Regelungen entwickelt und aufgebaut worden, der das dynamische Verhalten eines Kfz-Antriebstrangs aufweist. Ziel ist es, verschiedene Adaptionsverfahren auf ihre Einsetzbarkeit in OEM-Steuergeräten, die im Automotive-Bereich auf breiter Basis verwendet werden, kostengünstig testen zu können. Das Problem der aktiven Schwingungsdämpfung in Kfz-Antriebssträngen mit unbekannten und veränderlichen mechanischen Parametern stellt eine Pilotanwendung dar. Ein leicht anpassbarer mechanischer Prüfstand dient hierbei als vereinfachtes Modell eines Antriebstrangs. Dieser ist Bestandteil eitles Experimentalsystems mit einer informationstechnischen Architektur, die einen Betrieb engebetteter Regelungssysteme auf verschiedenen Plattformen gestattet. Das flexible mechanische und informationstechnische Design des Experimentalsystems gestattet die Variation von Parametern der zu regelnden Applikation durch leicht austauschbare mechanische Komponenten und gezielte Einbringung von Störgrößen. Zudem kann die Berechnung der Regelungsarchitektur auf einem Industrie-PC oder einem Steuergerät erfolgen. Weitere Vorteile des entwickelten Experimentalsystems sind die Berücksichtigung von Effekten, die aus dem Verhalten realer Sensoren und der CAN-basierten Signalübertragung entstehen. Insbesondere der Einfluss von Wortbreite und Latenz übertragener Signale auf die Adaption von Regelungen kann mit Hilfe des vorgestellten Experimentalsystems eingehend untersucht werden.
Es wird dargelegt, wie das Verhalten eines Manipulators durch die Vorsteuerung von Drehmomenten und die Anwendung von kinematischen Beziehungen zu einer Punktmasse vereinfacht werden kann. Der darauf aufbauende, vorgestellte Algorithmus zur Kopplung des Operators mit dem Teleoperator ist mathematisch beschrieben und hinsichtlich der Problematik von Differentiationen in der realen Anwendung angepasst. Die vorgestellte Simulation mit zwei Testsignalen sowie die Frequenzganganalyse eines Koppelterms zeigen, dass der Algorithmus vor allem bei niedrigen Frequenzen dem Bediener ein hohes Maß an Transparenz liefert. Eine Frequenzganganalyse bei Variation der parametrierbaren Übertragungsfunktionen kann die Transparenz bei hohen Frequenzen verbessern. Nächste Schritte konzentrieren sich auf die experimentelle Evaluierung einer vorgestellten Kraftregelungsarchitektur am Assistenzroboter CARo5X. Insbesondere wird geprüft, ob die Annahme eines linearisierten und entkoppelten Systems am Experimentalaufbau hinreichend zutrifft. Nach erfolgter Inbetriebnahme der vorgestellten Kraftregelung am Robotersystem SixAx, das von der Regensburg Robotics Research Unit (RRRU) entwickelt worden ist, werden beide Roboter durch den vorgestellten Ansatz gekoppelt und final experimentell bewertet.
Regelungsfunktionen für Automotive-Anwendungen werden dahingehend entworfen, dass ein bestmögliches Regelverhalten über die gesamte Lebensdauer der Applikation erzielt werden soll. Der Einfluss unterschiedlicher Umgebungsbedingungen und Bauteilvarianten sowie eine Alterung von Komponenten führt dazu, dass beim Entwurf von Regelungen Reserven vorgehalten werden müssen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass eine Veränderung der geregelten Strecke zu einem ungewollten Regelverhalten - bis hin zur Instabilität des geregelten Systems - führt. Im Rahmen des Forschungsprojekts ACES (Integrated Adaption of Linear Controllers for Embedded Systems) entwickeln die Kooperationspartner AVL Software & Functions GmbH, Regensburg und die OTH Regensburg gemeinsam Algorithmen zum Entwurf von adaptiven Regelungen, bei denen die Parameter eines Reglers auf Basis identifizierter Streckenparameter eingestellt werden. Vorgestellt wird ein rekursiver und durch einen variablen Gewichtungsfaktor modifizierter Algorithmus, welcher in der Lage ist, auch unter nicht optimalen Schätzbedingungen zeitvariante physikalische Parameter eines realen Antriebstrangs zweiter Ordnung in Echtzeit zu ermitteln. Mit der Implementierung des Schätzverfahrens auf einem in der Automotive Branche verwendeten Steuergerät wurde die prinzipielle Tauglichkeit des Verfahrens im Hinblick auf die Anwendbarkeit für industrienahe Problemstellungen aufgezeigt. Die weitere Vorgehensweise besteht darin, den Algorithmus dahingehend anzupassen, dass auftretende nichtlineare Effekte wie Reibung berücksichtigt werden können. Ferner sollen auch Systeme höherer Ordnung identifiziert werden. Für den Fall von linearen Strecken zweiter Ordnung ist der Algorithmus bereits in der Lage, die notwendigen Parameter zur Auslegung adaptiver Regelungen zu liefern. Die Implementierung von solchen adaptiven Regelalgorithmen auf einem Steuergerät soll im Projekt ACES ebenfalls umgesetzt werden. Die Verwendung adaptiver Regler könnte somit eine effizientere Regelung von zeitvarianten Strecken ermöglichen.