Fakultäten

Bachelorarbeiten WS09/10
Fakultät EI: Labor für Regelungstechnik

Katinka Lange

Titel der Arbeit:
Modellierung von Blei-Gel-Akkumulatoren unter Berücksichtigung der Alterung für die Photovoltaik-Anwendung

Zusammenfassung:
Der heutige Stand der Technik erlaubt für die Zwischenspeicherung der elektrischen Energie in autonomen Stromversorgungen nur elektrochemische Speicher. Nach wie vor werden heute zum größten Teil dafür, aufgrund der weltweiten Verfügbarkeit und der geringen Kosten, Blei-Säure-Batterien verwendet. Da der festgelegte Elektrolyt im Blei-Gel-Akkumulator die Handhabung bei der Installation, die Wartung sowie die notwendige Raumbelüftung enorm vereinfacht, ist ein Trend zu verschlossenen Bleibatterien zu beobachten. Zu einer vergleichenden Untersuchung unterschiedlicher Simulationsmodelle für Blei-Gel-Akkumulatoren werden verschiedene Klemmengrößen-Modelle untersucht, die aus den Eingangsgrößen Klemmenstrom und Umgebungstemperatur die Klemmenspannung, den Ladezustand, die Batterietemperatur oder Wärmegenerierung und den Alterungszustand berechnen. Das thermische Modell von Jossen und Späth wird im Vergleich zu den hier vorgestellten Modellen viel genauer modelliert. Aufgrund der Wärmegenerierung der Batterie bietet es sich sehr gut für die Modellierung der Veränderung der Batterietemperatur an. Hingegen stellt Dirk Uwe Sauer mit seinem Modell erstmals ein für die Zeitschrittsimulation von Photovoltaik-Systemen geeigneten Ansatz zur Verfügung, womit wegen eines quantitativen Batteriealterungsmodells eine neue Qualität in der Auslegung und Optimierung erreicht werden kann. Mit diesem Modell sind Untersuchungen der Einflüsse von Systemauslegung als auch Betriebsführung in Bezug auf die Batteriele-bensdauer beziehungsweise Batteriealterung möglich. Jedoch sind die vielen notwendigen Parameter wegen meist unzureichenden Datenblättern schwierig zu bestimmen, was aus Zeitgründen der Hinderungsgrund war, dieses Modell nicht zu implementieren. Auch Michael M. D. Ross entwickelte ein Batterie-Modell unter anderem zur Modellierung von Photovoltaik-Batterie-Systemen. Das Modell berücksichtigt viele Aspekte des Batterieverhaltens, wie die Temperaturabhängigkeit, die Selbstentladung, die Gasung, den Wasserverlust, die Alterung und die Wärmeent-wicklung. Ein großer Vorteil dieses Modells ist die Anpassung mittels Parameter auf verschiedenen Blei-Technologien und Batterietypen. Das Modell von Ross wurde in der Matlab/Simulink-Umgebung implementiert und zeigt sehr gute Simulationsergebnisse.

Alexander Baumann

Titel der Arbeit:
Prozessidentifikation und Filterdesign zum automatisierten Reglerentwurf

Zusammenfassung:
Der manuelle Entwurf eines optimalen Filters für Regelstrecken höherer Ordnung ist sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Aus diesen Gründen entstand die Idee dieser Bachelor Thesis. Ziel war es nun ein Konzept für einen automatischen Filterentwurf zu entwickeln und das erste Codegerüst zu implementieren. Für diesen automatischen Entwurf ist es unumgänglich Informationen über die Streckenparameter zu besitzen. Die Prozessidentifikation erfolgt mit der Methode der kleinsten Quadrate für Frequenzgänge und dem Verfahren von Gauß und Newton. Als Reglerkonzept eignete sich besonders gut das Internal-Model-Control-Verfahren. Im realen System werden jedoch diskrete Filterstrukturen verwendet. Folglich musste eine Diskretisierung der kontinuierlichen Reglerübertragungsfunktion vorgenommen werden. Die Bestimmung der rekursiven Filterkoeffizienten erfolgt über die bilineare Transformation. Bei nichtrekursiven Systemen wird das Verfahren der Fenstermethode angewendet. Dabei wird die kontinuierliche Impulsantwort abgetastet und mit einer Fensterfunktion multipliziert. Die Prozessidentifikation und der Reglerentwurf wurden in LabVIEW implementiert. Es wurde dabei aus dem Codegerüst eine funktionsfähige Software namens „Prozessidentifikation und Filterdesign-Tool“. Diese agiert mit der bisher verwendeten Filterentwurfssoftware, welche die Diskretisierung der kontinuierlichen Reglerübertragungsfunktion vornimmt. Dies wurde ebenfalls schon implementiert. Mit dieser funktionsfähigen Software wurden dann die ersten Tests am realen System durchgeführt und die Ergebnisse entsprachen auf Anhieb den kundenspezifischen Anforderungen.

Thomas Bosch

Titel der Arbeit:
Leistungselektronik für schnellschaltende elektromagnetische Aktuatoren

Zusammenfassung:
Fur ein elektromagnetisches Doppelspulenventil werden Stromprofile, die ein sanftes Auftreffen des Ventilstößels auf die Endkappen ermöglichen, zur Regelung des Ventilstößels benotigt. In der vorliegenden Bachelorarbeit wird eine Schaltung zum Generieren von Stromprofilen in Spulen beschrieben und realisiert. Dabei kommt als Schaltungstopologie eine .Boost and Holdg Schaltung zum Einsatz. Mit dieser Schaltung ist es möglich, schnelle Stromprofile möglichst energieeffizient und mit wenigen Schaltverlusten zu generieren. Als Regelungsart wird hierbei eine Hysterese-Regelung verwendet. Diese regelt den vorgegebenen Sollstrom mit 3 Toleranzbändern in der Ventilspule. Um ein moglichst schnelles Stromprofil zu erhalten, wird eine hohe Spannung von 100V benötigt. Es wird hierbei zusatzlich eine Schaltung zur Generierung der hohen Spannung in Form eines Hochsetzstellers realisiert. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es, einen funktionsfähigen Hardware-Prototypen zu erhalten, mit dem es möglich ist, schnelle Stromprofile in Spulen zu erzeugen. Da mit dem Doppelspulenventil Schaltzeiten von unter 1ms erreicht werden sollen, beträgt die Stromprofillänge dabei etwa 400-500us. Die maximale Amplitude beträgt dabei ca. 14 Ampere. Um dies zu erreichen, muss die Endstufe und Regelung hohes dynamisches Verhalten aufweisen. Die Endstufe muss dabei robust gegen induzierte Spannungspeaks sein, sowie die geforderten Strompeaks schalten können. Ergebnis der Bachelorarbeit ist, dass mit der realisierten .Boost and Hold - Schaltungstopologie und der Hysterese- Regelstrategie Stromprofile in den Ventilspulen generiert werden können. Probleme gibt es allerdings derzeit noch mit dem verwendeten Stromsensor, dessen Bandbreite unzureichend fur die Regelung ist. Des Weiteren gibt es noch EMV- Probleme seitens des Hochsetzstellers, die sich storend auf die optische Positionsmessung des Stößels auswirken.

Oliver Oestrich

Titel der Arbeit:
Einsatz optischer Sensorik zur Geschwindigkeitsmessung von Substrate

Zusammenfassung:
Die Bachelor-Thesis entstand im Rahmen des kooperativen Forschungsprojekts „Einsatz optischer Sensorik zur Geschwindigkeitsmessung von Substraten“. Um die Substratgeschwindigkeit festzustellen, werden heute Drehgeber eingesetzt, die auf der Förderbahn installiert sind und somit die Geschwindigkeit messen. Im Projekt soll festgestellt werden, ob es prinzipiell möglich ist, die Geschwindigkeit direkt auf dem Substrat mittels günstiger optischer Sensorik zu messen. Folgende Teilaufgaben sollten während der Bachelor-Thesis bearbeitet werden: Patent- und Paperrecherche auf dem Gebiet der optischen Geschwindigkeitsmessung mittels Sensorik aus Computermäusen, Recherche über aktuell eingesetzte Maussensoren und ihre Performance sowie die Auswahl möglicher Testsensoren, Implementierung der Sensorkommunikation und Datenaufnahme von Vergleichsmessungen sowie Auswertung der Daten mit anschließenden ersten Tests des Sensors durch Vergleichsmessungen.

Marc Schreiber

Titel der Arbeit:
Erstellung von Firmware und einer Simulink-Bibliothek zur Anbindung von periphären Einheiten des MicroControllers MPC5567 via Targetlink

Zusammenfassung:
Die Ziele dieser Bachelorarbeit waren im Wesentlichen:
• Das Verbessern und Abstimmen der verschiedenen Komponenten der Toolkette, insbesondere des Makefiles
• Das Bereitstellen der Treiber für den ADC und den DMA (Hardware Abstraction Layer)
• Die Erstellung des ADC-Blocks für die Bibliothek des HTWG-Steuergeräts mit MPC5567
• Ein aus einem Modell generiertes, ausführbares Programm, dass auf »Knopfdruck« kompiliert und gelinkt wird und mit Hilfe des Entwicklungstools auf dem Controller ausgeführt werden kann.

Philipp Münst

Titel der Arbeit:
Entwurf eines Aufschwingreglers für ein Schlitten-Pendelsystem

Zusammenfassung: 
Ziel der Arbeit ist es, ein auf einem Wagen befindliches Pendel durch Aufschwingen von seiner unteren Ruhelage, in seine obere instabile Ruhelage zu bringen und dieses dort zu halten. Hierbei handelt es sich um eine in den letzten Jahrzehnten oft betrachtete Aufgabenstellung. Das Pendel auf einem Wagen ist ein klassisches Beispiel in der Regelungstechnik, vor allem da es systemtheoretisch ganz bestimmte Eigenschaften besitzt. Diese machen es zu einem zugleich komplexen aber dennoch einigermaßen kompakten System. Als zentrale Stichpunkte sollen hier zuallererst Nichtlinearität und Unteraktuiertheit dienen. Es wurde in den letzten Jahrzehnten immer wieder versucht, ein Pendel auf einem Wagen durch Aufschwingen zu invertieren. Das eigentlich Interessante und Spannende hier ist aber nicht das Aufschwingen oder das Verhalten des Pendelwagens, sondern vor allem die Herangehensweise an sich. Die in der Vergangenheit verwendete Konzepte sind vielfältig. Sie reichen von einfachen und anschaulichen 2-Regler-Konzepten, wo ein Regler das Pendel aufschwingt und ein zweiter linearer Regler das Pendel anschließend in der invertierten Ruhelage hält bis hin zu komplizierten Betrachtungen. Das in dieser Arbeit verwendete Konzept birgt einige Neuheiten im Vergleich zu Konzepten aus früheren Veröffentlichungen. Die zentrale Neuheit ist dabei, dass eine Stellgrößenbeschränkung über das Schalten der Sollposition umgangen wird. Ein weiterer Vorteil des Konzepts ist, dass sowohl Aufschwingen als auch Stabilisierung durch einen Regler gewährleistet sind. Es sind allgemein vor allem die Konzepte solcher Regler interessant, vor allem auch, weil es keine direkte praktische Anwendung für ein aufschwingendes Schlitten-Pendelsystem gibt. Es handelt sich dabei eher um ein Erprobungsobjekt für neue Konzepte, die dann auf andere systemtheoretisch ähnliche Systeme angewandt werden können. Hier können Roboterarme als Beispiel dienen, da diese auch nichtlinear und unteraktuiert sind.