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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Regelungstechnisches Problem: Kugel auf Rad balancieren


Autor: Schorschi (Gast)
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Hallo,

ich weiß nicht, ob das Teil einige von euch schon gesehen haben, auf 
Messen wie der Electronica etc. sieht man die Dinger aber des Öfteren:

Eine Kugel wird auf einem Rad (z.B Fahrradfelge ohne Schlauch) durch 
Drehung des Rades oben balanciert.

Meine Frage jetzt an euch: Kennt einer den konkreten Fachausdruck dafür? 
Ich hätte nämlich gern auf IEEE u.a. nach wissenschaftlichen 
Veröffentlichungen gesucht, wie man das macht (Modellierung, 
Regler-Topologien).

Ausschließen kann ich schon mal: (Double) Inverted Pendulum, Pendubot, 
Reaction Wheel Pendulum, von denen weiß ich nämlichm wie sie aussehen :)

Wäre schön, wenn jemand das richtige Stichwort nennnen könnte!
Schorschi

Autor: asfd (Gast)
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Ich habe keine AHnung, aber:
- Regelkreis
- PID Regler

Autor: Fritz (Gast)
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Hallo,

ich halte einen PD Regler für geeignet. PID ist nur nötig, falls die 
Kugelposition langfristige (intgriert) von der Position keine Abweichung 
haben darf.
Sonst ist der PID Regler (jetzt werde ich Widerspruch auslösen) nur 
ungut einzustelle.
Ich würde mit PD Regler die große Zeitkosnante kompensieren.
(Nenner Pol kompensieren) und eine weitere Zeitkonstante in der 
Reglerschleife mit der Verstärkung bekämpfen solange die Phasenreserve 
es zuläßt.
Auf diese Weise habe ich schon häufig schwebende Kugeln geregelt.

Gruß
Fritz

Autor: Dennis (Gast)
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> "PID ist nur nötig, falls die Kugelposition langfristige
> (intgriert) von der Position keine Abweichung haben darf."

Wenn sie integriert eine Abweichung hätte, dann würde die Kugel 
beschleunigt, weshalb irgendwann die Regelgröße (Drehgeschwindigkeit vom 
Rad) an die Grenzen kommmt...

Autor: Schorschi (Gast)
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Hallo,

dass es mit einem PD gehen könnte dachte ich mir schon; PID kann nicht 
gehen.
Ich wollte aber mehr in die Richtung modernerer Regler gehen:
Zustandsrückführung, LQR, Sliding Mode oder andere nichtlineare Regler

Deswegen hätte ich auch gern den englischen Namen des Problems gewußt um 
suchen zu können.

Danke
Georg

Autor: Duck und weg (Gast)
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Ja, sowas loest man bevorzugt mit einer Zustandsrueckfuehrung. 
Allenfalls mit Beobachter, falls man nicht fuer jede Groesse einen 
Sensor hat. Das nennt sich dann "State Control Loop(, with Observer)". 
Dazu gibt's eigentlich nicht allzu viel zu lesen. Modellieren, Abbilden. 
Fertig.

Autor: Fritz (Gast)
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Vorallen tritt beim I Anteil folgendes Problem auf:
Falls die Kugel, wenn diese zum ersten mal aufgelegt wird und nicht in 
der Sollposition ist, wird die Abweichung ständig aufaddiert. So läuft 
die Regelung rasch suf einen Grenzwert zu.
Man kann einen Regelkreis mit einem I Anteil nicht ungestraft 
unterbrechen.

Theoretisch: Keine Kugel - Steuersignal unendlich.
Praktisch: Keine Kugel - Steuersignal im maximal

Autor: Herbert von Caravan (Gast)
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>Man kann einen Regelkreis mit einem I Anteil nicht ungestraft nterbrechen.
Interessant. ....und was geschieht beim ersten Einschalten eines 
PID-Regler
gesteuerten Vorganges, da hat die Regelgröße ja auch noch keinen 
Sollwert
erreicht.

Hochachtungsvoll
Herbert von Caravan

Autor: Schorschi (Gast)
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Um das Aufintegrieren im Rahmen zu halten führt man das sog. "Anti 
Wind-up" ein. Ein Ansatz dazu ist z.B. nicht weiter zu integrieren, wenn 
die Stellgröße am Anschlag ist, oder man löscht den Integrator bei 
Erreichen der Sollgröße (machen glaub ich manche Temperaturregler)

MfG
Schorschi

Autor: Fritz (Gast)
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ob nun die Kugel um eine Millimeter versetzt stabil ist, ist in der 
Regel nicht wichtig. Also vezichte ich einfach auf den I-Anteil.

Also der I-Anteil vermindert nur die Phasenreserve. Bei einer 
schwebenden Kugel habe ich damit die besten Erfahrungen gemacht.


Gruß
Fritz



PS

In eineem Timerintrerrupt - Schleife habe ich für eine schwebende Kugen 
folgendes Programm mit Erfolg angewendet.
************************************
k++;
   k %= (int) abt;   // Nicht jeder Interrupt soll eine Messung
   if ( k == 0)      // bzw. Regelung ausführen
     {
       i = ad_wandler();
       propAnteil = (int) (i * p / 80)  ;
       diffAnteil = (i - j) * 50;
       wert =  0 + propAnteil + diffAnteil ;  // Mit Grundlast

       if (wert >= 255)               // keine Unstetigkeit
            wert = 255;               // durch Ueberlauf
       if (wert <= 0)
            wert = 0;

          OCR1A = wert;   //PwM setzen

             //    PWM Register laden
       j=i;    //speichern und ist nächstes mal der alte Wert
      }

Autor: Schorschi (Gast)
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Sollte es jemanden interessieren, ich bin jetzt doch fündig geworden:
Der Aufbau findet sich in der Literatur als "ball and wheel system" oder 
"ball on wheel system".

Danke für die Beiträge
Schorschi

Autor: MartinWUb (Gast)
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Hallo,
bin dringend auf der Suche nach Unterlagen zum Thema "Ball on Wheel" 
bzw. eine Simulation durch Matlab/Simulink oder ähnliches. Habe selbst 
mal das Mathematische Modell zu dem Problem aufgestellt und würde dies 
gern in einem Regelkreis beschreiben. Hilfe wäre schön

Gruß Martin

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