Anhang

A. Tabellen

Tabelle A-1: Gleichgewichtsposition - Steuerspannung

Tabelle A-2: Magnetische Flussdichte über Position und Steuerspannung

Tabelle A-3: Abweichung der Gleichgewichtsposition: Kaltwerte - Warmwerte

Tabelle A-4: Steuerspannung - Ausgangsspannung

Obenstehende Tabelle stellt die bei dieser Arbeit gegebene Übertragungskennlinie des Servoverstärkers dar. Im Falle einer Umrüstung des "SVK" auf eine interne Stromregelung sollte eine derartige Kennlinie wieder hergestellt werden.

Die Werte wurden mit zwei unterschiedlichen Multimetern aufgenommen. Einem batteriebetriebenem TEK "THS 720" im Multimeterbetrieb (400V-Bereich) und einem ABB Metrawatt "Metra Hit 14" im Autorange-Betrieb.

Der Magnet wurde zuvor eine Stunde mit 5V Steuerspannung betrieben, damit die Kennlinie bei Arbeitstemperatur aufgenommen werden konnte.

n.m. = nicht meßbar (beim "TEK" bedingt durch die Ballastschaltung des "SVK", beim "ABB" durch die Form und Frequenz des Signals)

B. Sprungantworten

Abbildung B-1: Steuerspannungssprung von 0V auf 10V
 

Abbildung B-2: Steuerspannungssprung von 0V auf 5V

Abbildung B-3: Steuerspannungssprung von 3V auf 5V

C. Fuzzy-Regler-Dokumente

Entfallen in der HTML-Version

D. Der C-Sourcecode

Entfällt in der HTML-Version

E. Anschlußbelegung des ‘SVK’

Abbildung E-4: Interne Verkabelung „SVK"

F. Änderungen am ‘SVK’

Aufgrund von Nachforschungen nach der Ursache der auftretenden Temperaturdrift des „SVK" wurde entdeckt, daß dieser auf interne Spannungsregelung konfiguriert war. Diese Spannungsregelung hat zur Folge, daß bei gleichbleibender Steuerspannung und sich veränderndem Lastwiderstand der Ausgangsstrom sich nach der Formel  antiproportional zum Lastwiderstand verändert.

Zur Eliminierung der Temperaturdrift muß der „SVK" auf eine interne Stromregelung umkonfiguriert werden. Hierzu muß die „IxR-Kompensationskarte" entfernt und anschließend die nun um ca den Faktor 10 - 15 vergößerte Verstärkung so eingestellt werden, daß die ursprüngliche Steuerspannungs-Ausgangsspannungskennlinie nach Tabelle A-4 wiederhergestellt wird.

Angesichts des späten Zeitpunkts der Entdeckung der „IxR-Kompensationskarte" konnte die Umstellung des „SVK" auf eine interne Stromregelung nicht mehr in die Aufgabenstellung dieser Arbeit integriert werden. Es wurden dennoch in der kurzen verbliebenen Zeit einige Umstellungsversuche unternommen. Die deutlichen Probleme, welche dabei auftraten, weisen darauf hin, daß die jeweiligen Änderungen nicht zu dem gewünschten Ergebnis führen.

Maßnahmen zur Umstellung auf interne Stromregelung:

Maßnahme:   Austausch von R9 gegen einen kleineren Widerstand

Problem:       Oberhalb von ca 6V bricht die Verstärkung des „SVK" zusammen

Maßnahme:   Verringerung der Proportionalverstärkung (über drehen des XP-Potis nach links)

Problem:       Unterhalb von ca 4V bricht die Verstärkung des „SVK" zusammen

Maßnahme:   Vorwiderstand vor den positiven Eingang

Maßnahme:   Vorwiderstand vor den negativen Eingang

Maßnahme:   Vorwiderstände mit gleichem Wert vor beide Eingänge

Maßnahme:   Den Lötjumper J1 durch einen Widerstand ersetzen

Problem:       Die Ausgangsspannung des „SVK" schwingt sich bei jeder der vier obigen Maßnahmen deutlich auf

Eine Messung der Ausgangsspannung der ersten Verstärkerstufe zeigte kein Aufschwingen. Dies deutet darauf hin, daß die zweite Verstärkerstufe bei kleinen Eingansspannungen das Aufschwingen verursacht. Maßnahmen zur Reduzierung des Verstärkungsfaktors des „SVK" sollten sich demnach auf die Verstärkung der zweiten Verstärkerstufe konzentrieren.

G. Kostenbetrachtung

Die Materialkosten für den derzeittigen Aufbau sind im folgenden aufgezählt. Durch die hohen Preisschwankungen am Markt können sich die Preise innerhalb kurzer Zeit deutlich verändern. Daher wurden die Einzelpreise teilweise nur als Anhaltswerte abgeschätzt. Für eine genaue Kalkulation müssen die jeweiligen Preise zum Zeitpunkt des Einkaufs ermittelt, sowie Arbeitskosten berücksichtigt werden.

Die Einzelpreise (incl. MwSt) sind:

- Zeilenkamera NANOdim mit CAN: 13204,-

- Objektiv COSMICAR 50mm 1:1,4: ca. 370,-

- CAN-Karte CAN AC2: 1821,-

- I/O-Karte ME-30: ca. 1600,-

- PC (kleinste derzeit am Markt verfügbare Grundausstattung incl. 14’’-Monitor genügt): ca. 1800,-

- Servoverstärker „SVK-200-4/8-S" + Trenntrafo zur galvanischen Entkopplung des PCs: ca. 900,-

- Beleuchtung (Lampe + Vorschaltgerät): 181,-

- Material des Gestells: ca. 500,-

- Magnet: ca. 500,-

- WinFact (eingeschränkte Versionen): ca. 2300,-

- Borland C++ 5.0 ca. 800,-

   -------------

   ca. 23976,-

H. Kurzhandbuch zur ‘schwebenden Kugel’

H.1 Aufbau

H.1.1 CAN-Bus

Der Verkabelung des CAN-Bus ist nach folgender Abbildung vorzunehmen.

Abbildung H-7: Verkabelung des CAN-Bus

1: Stichleitung, Anschluß NANOdim - CAN (500mm)

2: Busleitung (1800mm)

3: T-Verbinder

4: Abschlußwiderstand

5: Stichleitung (1800mm)

6: Anschlußstecker +24V

7: Anschlußstecker Gnd

8: Kabel, DeviceNet zu CAN-AC2 (1500mm)

9: Anschlußstecker, DeviceNet zu CAN-AC2

Nach Aufbau des CAN-Bus gemäß obiger Abbildung müssen noch einige zusätzliche Verbindungen geschlossen werden. Der nicht abgebildete Stecker der Stichleitung 1 muß mit der Zeilenkamera verbunden werden. Die beiden Anschlußstecker 6 und 7 müssen an ein 24V-Gleichspannungsnetzteil mit nominell 10A angeschlossen werden (in der Praxis wurden Werte um 0.5A beobachtet - diese gelten aber nur für den vorliegenden Aufbau! Bei weiteren CAN-Teilnehmern erhöht sich dieser Wert). Als letztes muß der Anschlußstecker 9 an die PC-CAN-Karte an Buchse 1 (CAN-Channel 1) angeschlossen werden.

H.1.2 Sonstige Verkabelung

Der 50polige Stecker der I/O-Box muß mit der I/O-Karte Me-30 verbunden werden. Der Netzstecker des Hochfrequenzvorschaltgerätes sowie die beiden Netzstecker des „SVK" müssen an 220V angeschlossen werden.

Die Verkabelung zwischen der I/O-Box und dem „SVK" sowie zwischen „SVK" und Magnet sind den folgenden beiden Abbildungen zu entnehmen.

Abbildung H-8: Verkabelung I/O-Box - "SVK"

1: I/O-Box - Ausgang Gnd

„SVK" - Eingang negatives Differenzsignal

Beide Anschlüsse müssen über ein geschirmtes Kabel miteinander verbunden werden. Der Schirm ist in der I/O-Box nicht angeschlossen.

2: I/O-Box - Ausgang D/A-Channel0 - positives Signal

„SVK" - Eingang positives Differenzsignal

Beide Anschlüsse müssen wie bei 1 miteinander verbunden werden.

3: Ausgang D/A-Channel1

4: Ausgang D/A-Channel3

Abbildung H-9: Rückseite des "SVK"

1: Anschluß Magnet (Polung egal)

2: 220V-Netzanschlüsse

3: Netzschalter für Lüftung

H.2 Einrichtung

H.2.1 Kameraparameter einstellen

Nach dem physikalischen Aufbau der Anlage müssen einige Parameter der Kamera eingestellt werden. Dieses geschieht über das von NANOsystems mitgelieferte Programm „Ndim.Exe". Zuerst muß die 24V-Gleichspannungsversorgung des CAN-Bus eingeschaltet werden. Anschließend wird der Stecker des Hochfrequenzvorschaltgerätes an 220V angeschlossen und Ndim mit den Parametern „Ndim.exe /Np:1" gestartet. „/Np:1" bezeichnet dabei den Adressraum der CAN-Karte.

Nach dem Start erscheint folgender Bildschirm:

Abbildung H-10: Hauptbildschirm des Programms Ndim.Exe

Mit den Pfeil-Tasten kann nun ein Menüpunkt selektiert werden (in der Abbildung ist dieses „Hilfe"). Im unteren Bereich des Bildschirms erscheinen die für den ausgewählten Menüpunkt geltenden Tastatureingaben mit den zugehörigen Funktionen.

Zuerst muß der Sichtbereich so eingestellt werden, daß der gesamte zu beobachtende Bereich (etwas größer als der Regelbereich) dargestellt wird. Anschließend wird der Meßbereich dermaßen eingestellt, daß die beiden Grenzen des Regelbereichs (Magnetunterkante und Kugelunterkante bei unterster regelbarer Position) mit einem Sicherheitsabstand von ca 50 Pixeln innerhalb des Meßbereichs liegen. Kanten können am Verlauf der Grauwertkurve (gelbe Kurve) erkannt werden. Steigt die Grauwertkurve von niedrigen auf hohe Werte, oder fällt sie von hohen auf niedrige Werte, so befindet sich an dieser Stelle eine Kante.

Nun müssen einige Parameter eingestellt werden.

- „Schwelle" = 166

- „Belichtung" = 199

- „Einheit" = pe.

Duch gleichzeitiges drücken der Tasten „Alt" und „p" gelangt man in ein Untermenü. Dort muß die „Videosignalverstärkung" auf den maximalen Wert von 63 eingestellt werden. Die übrigen Parameter dieses Dialogs dürfen nicht verändert werden!

Anschließend muß die Blende des Kameraobjektivs soweit geschlossen werden, daß die Grauwertlinie an den Randbereichen einen leicht abgerundeten Verlauf zeigt (siehe Abbildung H-10).

Nun muß der Fokus des Objektivs scharfgestellt werden. Hierzu wird einen scharfkantiger Gegenstand unter den Magneten gelegt, so daß die Kamera diesen erfasst. Anhand der Anzeige „Fokus" wird das Objektiv eingestellt. Dabei sollte mindestens ein Fokus-Wert von 45% erreicht werden.

Die Menüpunkte „Koordinatensystem" und „CAN" sollten auf den Werkseinstellungen eingestellt bleiben. Diese sind für „Koordinatensystem":

- „Skalierungsfaktor" = 1

- „Nullpunkt" = 0

Für „CAN" sind dieses:

- „CAN Baudrate" = 500

- „CAN Empfangs ID" = 100

- „CAN Sende ID" = 200

- „Ausgabefrequenz" = 1

Durch Anwählen des Menüpunktes „NANOdim" gelangt man anschließend in folgenden Bildschirm:

Abbildung H-11: Einstellungsdialog für Meßaufgabe

Die Parameter müssen nach obiger Abbildung eingestellt werden. Nur die Meßaufgabe 2 darf aktiv sein.

Nach Selektion des Menüpunktes „Weitere Parameter" erhält man den folgenden Bildschirm:

Abbildung H-12: Einstellungsdialog "Weitere Parameter"

Die Parameter müssen wiederum nach der obigen Abbildung eingestellt werden.

Nachdem alle Einstellungen vorgenommen sind, wird das Programm über den Menüpunkt „Programmende" verlassen. Es erscheint eine Abfrage, ob man die aktuellen Einstellungen dauerhaft abspeichern möchte. Diese ist mit „j" zu bestätigen.

H.2.2 Ausrichten der Kamera

Nach der Parametrierung der Kamera, muß diese ausgerichtet werden. Hierbei wird die Magnetunterkante als Referenzkante verwendet. Es muß das Programm „Ndim.Exe" mit den Parametern „Ndim.Exe /Np:1" gestartet werden. Über den Menüpunkt „NANOdim" gelangt man in das Untermenü zur Festlegung der Meßaufgaben. Hier legt man eine neue Aufgabe zur Kantendetektion fest (siehe Abbildung H-12). Wichtig ist, daß als Detektionsziel die Magnetunterkante einstellt wird. Die eingestellte Kante erkennt man in der Bildschirmdarstellung an einem schwarzen Kreuz auf der detektierten Kante. Anhand der Istwertanzeige kann man nun die Kamera so ausrichten, daß die Magnetunterkante an Position 1300 (±15 Pixel) liegt.

Abbildung H-13: Meßaufgabe Magnetunterkante zur Kameraausrichtung

Weitere Maßnahmen zur Kameraausrichtung sind nicht erforderlich.

H.3 Inbetriebnahme

Zur Inbetriebnahme der „schwebenden Kugel" muß wie folgt vorgegangen werden:

- Alle Netzstecker einstecken. Achtung! Der „Freigabe"-Schalter des „SVK" muß sich dabei im gedrückten Zustand befinden! Ansonsten kann der „SVK" zerstört werden!

- PC einschalten

- 24V-Gleichspannungsversorgung des CAN-Bus einschalten

- Die Lüftung des „SVK" über den Schalter auf der Gehäuserückseite einschalten.

- Den „SVK" über den Drehschalter auf der Frontseite einschalten. Achtung! Der „Freigabe"-Schalter des „SVK" muß sich weiterhin im gedrückten Zustand befinden!

- Starten des Reglerprogramms „Svk_ok.exe".

- Nach einigen Kontrollausgaben erscheint die Aufforderung : "Drücken Sie 'q' für Abbruch - jede andere Taste zum Starten der Regelung".

- Nun den „Freigabe"-Schalter herausziehen.

- Eine beliebige, von „q" verschiedene Taste drücken.

Ausschaltreihenfolge:

- Beenden der Regelung über drücken des „Freigabe"-Schalters.

- Anschließend die Funktionstaste F10 drücken.

- Den „SVK" über den Drehschalter auf der Frontseite ausschalten.

- Die Lüftung des „SVK" auf der Rückseite ausschalten.

- Die restlichen Geräte in beliebiger Reihenfolge ausschalten.

H.4 Das Programm „Svk_ok.exe"

Das Programm „Svk_ok.exe" ist das in dieser Arbeit entwickelte Reglerprogramm. Nach dem Start werden CAN-Bus und Kamera initialisiert. Dabei erscheinen verschiedene Kontrollausgaben, die vor allem Debugzwecken dienen. Anschließend wird der Benutzer aufgefordert, eine Taste zu drücken. Er hat die Chance, das Programm an dieser Stelle durch drücken von „q" abzubrechen. Drückt er eine andere Taste, so wird die Prozeßvisualisierung gestartet.

Abbildung H-14: Oberfläche der Prozeßvisualisierung

Der Benutzer hat die Möglichkeit, die Regelung über zwei verschiedene Offsetwerte zu beeinflussen. Diese beiden Offsetwerte werden auf die erfasste Position, bzw. auf die Fuzzy-Stellgröße addiert. Der Arbeitspunkt kann somit auf zwei Achsen (Position und Fuzzy-Stellgröße) verschoben werden. Die Verschiebung des Arbeitspunktes kann in jeweils zwei Schrittweiten erfolgen. Bei der Position sind dies ±1 bzw. ±10 Pixel. Bei der Fuzzy-Stellgröße sind dies ±0.01V bzw. ±0.1V. Die Arbeitspunktverschiebung geschieht online während die Regelung läuft. Daher ist hierbei vorsichtig vorzugehen. Eine zu schnelle Änderung eines Offsetwertes stellt eine große Störgröße dar, die nicht ausgeregelt werden kann.

Weiterhin kann die Ausgaberate der Visualisierung beeinflusst werden. Der Benutzer kann einstellen, jeden wievielten Regelschleifendurchlauf die Aktuellen Werte für Position, Geschwindigkeit und Fuzzy-Stellgröße visualisiert werden sollen. Zusätzlich kann die Visualisierung angehalten werden. Dadurch wird es möglich, interessante Regelvorgänge am Bildschirm festzuhalten, ohne daß diese von der Visualisierung wieder überschrieben werden.

Die beiden Offsetwerte werden als von einer Nullpunktlinie nach oben bzw. nach unten wachsende Balken visualisiert. Dadurch hat man eine greifbare Vorstellung von der eingestellten Arbeitspunktverschiebung.

I. Vergleichbare Arbeiten

Zum Zwecke des Vergleichs dieser Abeit mit anderen bereits bestehenden Arbeiten wurden Internetrecherchen durchgeführt. Diese ergaben, daß es anscheinend noch keine Realisierung eines mittels Fuzzy-Logic unter einem Magneten schwebend geregelten Körpers oder vergleichbare Arbeiten gibt.

Die verwendeten Suchmaschinen und Suchbegriffe waren:

Suchmaschinen:

- www.Infoseek.com

- www.lycos.com

- www.webcrawler.com

- www.altavista.com

Suchbegriffe:

+fuzzy +position

+fuzzy +magnet

+fuzzy +floatation

+fuzzy +floating

+fuzzy +levitate

+fuzzy +levitating

+fuzzy +hover

+fuzzy +hovering

+fuzzy +impend

+fuzzy +impending

+fuzzy +pending

+fuzzy +lage

+fuzzy +schwebend

+fuzzy +kugel

Weiterhin wurden die Server der auf www.esr.ruhr-uni-bochum.de/w34c.html angegebenen deutschen Fuzzy-Forschungsstandorte nach einer vergleichbaren Arbeit durchsucht. Diese Suche bleib ebenso erfolglos wie eine Datenbankrecherche auf dem Server der europäischen Forschungsförderung (apollo.cordis.lu).

Man kann demnach davon ausgehen, daß es zumindest keine Internetpublikation zu vergleichbaren Arbeiten gibt.

Kurz vor Ausdruck dieser Arbeit stellte sich heraus, daß es an der TU Berlin im Fachgebiet Regelungstechnik und Systemdynamik einen ähnlichen Aufbau gibt. Dieser wird in der Praxis jedoch mit konventioneller Regelungstechnik betrieben. Es werden im Rahmen des Regelungstechnik II-Labors an der TU Berlin Fuzzy-Regler mit der Fuzzy-Toolbox von Matlab entworfen. Diese wurden bisher jedoch nicht an der realen Regelstrecke ausprobiert.

Weiterhin arbeitet diese Anlage mit vergleichsweise schweren ferromagnetischen Körpern. Große Massen stellen eine Dämpfung des Systems dar und erleichtern somit den Aufbau des Reglers. Der vorliegende Fuzzy-Regler kann sehr kleine Massen in der Schwebe regeln. Selbst leere Getränkedosen stellen kein Problem dar.

Es kann also weiterhin davon ausgegangen werden, daß die vorliegende Arbeit in ihrer Regelgüte bisher einzigartig ist.

K. Danksagungen

für die Bereitstellung wichtiger Teile und die moralische sowie wissenschaftliche Unterstützung möchte ich mich besonders bei den folgenden Personen und Firmen bedanken:

Prof. Dipl.-Ing. U. Lehmann für die interessante Herausforderung dieser Diplomarbeit und die Hilfe bei der Beschaffung der Zeilenkamera

Stud.Ing. Reinhard Gamm für Korrekturlesen und seine Verbesserungsvorschläge

NANOsystems für die Bereitstellung der Kamera und den ausgesprochen freundlichen Support

SOMA GmbH für die Bereitstellung der CAN-Interfacekarte

MFH Iserlohn für die Aufstellung eines Kaffee- und eines Cola-Automaten sowie die Bereitstellung der Räumlichkeiten, die mir inzwischen fast zur zweiten Heimat geworden sind

Weiterhin möchte ich mich bei den Mitarbeitern und Diplomanden des Labors für Antriebstechnik für das freundliche Arbeitsklima bedanken.