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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Regelung / Stabilisierung eines Piezos


Autor: TOM (Gast)
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Hallo die Herrschaften,

zur Regelung eines Piezo's benötige ich einen extremen Regler. Da die 
äußeren Störungen allerdings so groß sind reicht ein einfacher PI Regler 
nicht aus:
bei dem benötigten gain, um die äußeren Störungen auszuregeln, läuft der 
Piezo in seine Resonanz (auch bei nachgeschaltetem Tiefpass 1.Ordnung 
[Resonanz 17kHz, 3db Tiefpass: 500Hz]).
Welche Ansätze wären da Regeltechnisch zu verfolgen:

- Notchfilter bei der Eigenresonanz?
...?
Welche alternativen gibt es?

Kann man auch einen Tiefpaß höherer Ordnung verwenden, oder läßt die 
größere Phasenverschiebung das System doch wieder schwingen? Werde die 
Tage versuchen eine komplette Charakterisierung des mechanischen System 
vorzunehmen (Phasen und Amplitudengang im Bodeplot ) um einen 
Notchfilter anpassen zu können.

Kennt Ihr noch weitere Ansätze?


VG
Tom

Autor: Claus (Gast)
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?Kann mir keiner behilflich sein?

VG

Autor: MaWin (Gast)
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Niemand versteht was du willst.

Was für ein Piezo ? Schwingquartz ? Regeln als Disziplinierung ducrh 
eoen Atomuhr ?

Oder Piezo als Aktor ? Regeln auf Position, aber was macht dann deine 
Resonanzfrequenz dabei ?

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Claus schrieb:
> ?Kann mir keiner behilflich sein?

Ich verstehe nicht einmal, wovon du redest.
Piezo - Hochtöner ? Piezo-Piepser ?? Piezo - Feuerzeug ???

Autor: EiPad (Gast)
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Was willste denn bauen? Ein Tunnelmikroskop?

Autor: Martin (Gast)
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... Tunnelmikroskop ...

Bei den schlechten Lichtverhältnissen?

Autor: Claus (Gast)
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Ein Piezoaktor, der auf einem statischen Wert gehalten werden soll. Die 
PI Regelung hat, um externe Schwingungen auszuregeln einen so großen 
gain, dass er bedingt durch die Eigenresonanz des mechanischen Systems 
und den damit verbundenen Phasenschub in eine Resonanz läuft...

Autor: Claus (Gast)
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Ist die Erklärung immer noch so unverständlich, oder könnt Ihr mir vllt 
doch nicht helfen?

Autor: Philipp (Gast)
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Schwingungen ausregel und dann  dabei in resonanz kommen passt ja nicht 
so wirklich zusammen..
..also beschreibe uns mal deinen genauen verwendungszweck.
oder soll resonanz unterbunden werden?

Autor: Claus (Gast)
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Nochmals:
es geht um die Positionsstabilisierung mit Hilfe eines Piezoaktuators. 
Das mechanische System (Piezo + zu stabilisierende Masse, weissen eine 
Resonanz auf ~15kHz). Mit Hilfe eines Positionssignals soll die Position 
stabilisiert werden. Raumschall ist die Störgröße. Um 
raumschall-induzierten Schwingungen der zu stabilisierenden Masse 
wegzuregeln, wird ein PI-Regler verwendet, der den Aktuator ansteuert.
Der notwendigerweise sehr hohe gain des Reglers (bedingt durch hohe 
Raumschallpegel) bringt das System zum schwingen (was es logischerweise 
nicht soll) - Eigenresonanz. Und selbst dann reicht der gain noch nicht 
vollständig aus...
Ansätze zur Unterdrückung der Resonanz waren ein Tiefpass 1. Ordnung 
(Ziel: Erhöhung des möglichen Gains bei niedrigen Frequenzen und 
erhöhung des Gainmargins). 1. Ordnung, da höhere Ordnungen die Phase zu 
weit drehen.

Weiterer Ansatz: Notchfilter, um die Resonanz des Systems zu 
unterdrücken.

Die Frage lautet an Euch: gibt es noch weitere/eventuell noch 
effektivere Methoden, den möglichen Gain zu erhöhen (um den Schall 
rauszuregeln) und dabei nicht in die Resonanzen des Systems zu laufen.

VG

Autor: MaWin (Gast)
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Raumschall wegregeln ?
Und bei 15kHz hat dein System eine Eigenresonanz ?
Klingt wie ein blöde Idee.
Du kannst natürlich Schall bis 1kHz oder so je
nach Filtersteilheit wegregeln,
und den Rest einfach so lassen.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Als erste Massnahme sollte mn den Schall daemmen, zB mit einem Deckel 
auf der Anlage. Dann sollte man die Ausbreitung daempfen, zB indem man 
die Anlage auf einen Luftgefederten Tisch stellt. Ich hab sowas auch mal 
gemacht, dh eine Koerperschall kompensation. Beide Massnahmen haben die 
Piezospannung um den Faktor 10 gesenkt. Bei einem Piezo mit 150V 
maximal, wir hatten einen langsamen Integrator, der die mittlere 
Spannung auf 75V regelte, dann einen PI Regler, der den Koerperschall 
wegmachte. Die Bandbreite war nicht speziell interssant, die Stoergroess 
war mehrheitlich unterhalb 5kHz, die Piezoresonanz (der ganze Aktor) bei 
ueber 30kHz. Wir kamen von 1Vpp auf wenige mV Rauschen am Piezo runter.

Worum geht's denn ?

Autor: TOM (Gast)
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@Hey noch Was: Vielen Dank für die Antwort. Luftdämpfung und 
Schallisolation sind Bestandteil des Systems.

Die Frage richtete sich nach alternativen Schaltungsansätzen bzw. 
Filtern für die Ansteuerung, weniger nach der Sinnhaftigkeit.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Es ist weniger eine Frage der Sinnhaftigkeit, ich hab's ja auch schon 
gemacht. Als eher eine Frage nach dem Umfeld. Das ist nun auch klar.
Die einzelnen Elemente des Aufbaus sollten auch schon auf minimale 
mechanische Auslenkung optimiert sein. Ferner sollte der Aktuator 
leichtmoeglichst sein, sodass die Aktuatorresonanz so hoch wie moeglich 
ist. Alle Massnahmen zusammen erniedrigen die noetige Verstaerkung und 
sollten das system stabil laufen lassen. Wir hatten allerdings auch den 
Fall, das sich das System verschlechtert und ploetzlich in eine Resonanz 
laeuft. Diese sollte man detektieren und die Verstaerkung 
herunterfahren, da der Aktuator sich im Resonanzfall selbst langsam 
zerstoert. Wir gehen in einem Resonanzfall auf Stoerung und schuetzen so 
das System. Da muss dann eben nachjustiert werden bis die Parameter 
wieder passen.

Autor: TOM (Gast)
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Demnach habt ihr keinerlei angepassten Filter verwendet, sondern nur den 
PI  / PID regler mit angepassten Parametern?

Autor: U.R. Schmitt (Gast)
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Bist Du jetzt eigentlich Tom oder Claus?
Habt Ihr die komplette Regelstrecke versucht zu modellieren und mit den 
entsprechenden Regelungstechnischen Verfahren ein entsprechender Regler 
entworfen bzw. die Parameter optimiert?
Oder nehmt ihr einfach einen PI Regler und spielt am P Parameter herum 
weil Du/Ihr nur von Gain redet?
Wenn Eure Regelstrecke eine Resonanz hat die in den gleichen 
Frequenzbereich fällt wie die Störgröße, dann könnt ihr das nicht mehr 
einfach über einen P bzw. PI Regler regeln. Das ist dann schon 
weiterführende Regelungstechnik, und da bin ich schon 20j draussen.
Euch bleibt m.E. eigentlich nur, die (erfasste) Störgröße und/oder die 
Stellgröße auf einen sicheren Bereich unterhalb der Resonanz zu 
begrenzen.
Also Tiefpassfilter.

Autor: Peter (Gast)
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Mit den klassischen linearen PI/PID-Reglers ist bei solchen Strecken 
nicht wirklich was zu gewinnen. Aber wenn's so ein Reglertyp sein soll, 
dann in etwa so:

Es wäre z.B. ein nichtlinearer "entarteter" PID-Regler möglich. Benutze 
ich z.B. für Teilhubregelung von Piezoinjektoren. "Entartet" meint hier, 
dass der D-Anteil negativ eingekoppelt wird und nur abhängig ist vom 
Istwert der Strecke. Dadurch wirkt er als arbeitspunktabhängige 
Dämpfung, die dann noch in Abhängigkeit deiner Störgrösse veränderlich 
sein könnte. Zusätzlich kannst Du durch die Nichtlinearität in der Nähe 
Deines Setpoints z.B. dramatisch die P-Verstärkung zurücknehmen, die 
Dämpfung erhöhen, da ja nach der Ausregelung die Stellgrösse vom 
I-Anteil bereitgestellt wird. das verlangsamt die Ausregelung nicht 
wesentlich.

Ein sehr guter weiterführender Regleransatz für diese Art von Strecke 
wäre sicherlich ein Sliding-Mode Regler. Einfach mal googeln. Habe ich 
schon öfter eingesetzt. Ist gerade bei Piezo's eine nettes Konzept, da 
hier doch grosse Stellenergien zur Verfügung stehen ...

Gruss

Autor: Claus (Gast)
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Das Problem ist ein wenig, dass die zu regelnden Masse am Piezo 
"Blackbox-artig" unzugänglich ist. Da wie oben beschrieben die 
Resonanzkurve bisher nicht bestimmbar war, war bisher nur die übliche PI 
optimierungsvariante per Einstellen / Trial&Error erfolgt.
Genauere Bestimmungen kann ich demnächst erst vornehmen, um als ersten 
Versuch den Notchfilter auszutesten und dann weitere Schritte, wie von 
Euch vorgeschlagen zu implementieren.
Resonanz und Frequenz der Störgröße sind deutlich unterschiedlich 
(Störung:<2KHz und Resonanz: ~10KHz).
Na dann habe ich jetzt Stichworte, an denen ich mich entlanghangeln 
kann. Besten Dank & Viele Grüße

Autor: Benito (Gast)
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Wie schon gesagt, dass Problem besteht darin, dass du versuchst, mit 
einem linearen PI Regler eine nichtlineare Strecke zu regeln. Das geht 
nicht.
Der Notchfilter ist eine Lösung des Problems, habe ich schon erfolgreich 
angewendet und ist so auch in vielen älteren (analogen) Steuerungen der 
Piezoaktorhersteller vorzufinden.

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