Quanser integriert LabVIEW-Werkzeuge zur Erstellung und Simulation von Steuer- und Regelsystemen in praktische Experimente
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Bild: Übungsgerät QNET DC Motor Control Trainer mit NI ELVIS im Hintergrund. LabVIEW-VI für den Entwurf von Motorsteuerungen im Vordergrund.
Author(s):
Paul Karam - Quanser Inc.
Industry:
University/Education
Products:
LabVIEW, Simulation Module
The Challenge:
Entwurf mehrerer Steuerungs- und Mechatronikexperimente für Ausbildung und Lehre, die Studenten ein intuitives Verständnis physikalischer Konzepte vermitteln
The Solution:
Entwicklung modularer Experimente mit einer offenen Hard- und Softwarearchitektur auf Basis von Werkzeugen für die Erstellung und Simulation von Steuer- und Regelanwendungen in National Instruments LabVIEW
"Die Lösung von NI und Quanser ermöglicht den Studenten eine sehr intuitive Einarbeitung in theoretische Steuer- und Regelkonzepte und deren Anwendbarkeit auf reale Situationen und Einsatzbereiche."
Herausforderungen für Ausbildung/Lehre im Bereich Steuer- und Regelungstechnik
Der Bedarf an Absolventen Studenten mit Kenntnissen im Bereich Steuerung, Regelung und Mechatronik in verschiedensten Industrien wie beispielsweise der Automobilbranche, der Luft- und Raumfahrt sowie der Fertigung wächst zunehmend. Nicht nur werden fachspezifische Kurse und Vorlesungen für Erst- und höhere Semester benötigt, es ist auch erforderlich, im Beruf stehende Ingenieure weiterzubilden.
Leider sehen sich Hochschulen zunehmendem Druck ausgesetzt, „mehr mit weniger“ erreichen zu müssen, da Budgets gekürzt und Ausgaben eingeschränkt werden. Es wurde festgestellt, dass sich praxisorientierte Experimente am besten für die Wissensvermittlung eignen, sie aber häufig hohe Kosten bei Entwurf, Wartung und Aktualisierung verursachen. Diese Experimente sind zudem hinsichtlich Mechanik und Elektrik meist schon festgelegt, so dass ein Wechsel zwischen Experimenten in einem Labor ineffizient und zeitaufwändig ist.
Entwicklung von Steuer- und Regelexperimenten mit Hard- und Software von NI
Wir haben eine Reihe von Experimenten für den Prüfplatz entwickelt, denen LabVIEW-Software für die Steuerung, Regelung und Simulation sowie die NI-ELVIS-Umgebung zugrunde liegen. Jedes der Steuer- und Regelexperimente befindet sich auf einer Leiterplatte, die direkt mit NI ELVIS verbunden ist. Das Ergebnis sind kompakte Experimente mit echter Plug-and-play-Funktionalität, die Teil der Reihe von Quanser QNET sind, und ein Einrichten und Wechseln von Experimenten in nur wenigen Minuten ganz leicht machen. Die QNET-Reihe umfasst ein Experiment zur Steuerung und Regelung eines DC-Motors, ein frei drehbares, invertiertes Pendel und ein Experiment zu einem Heizungs-, Lüftungs- und Kühlsystem.
Bei NI ELVIS handelt es sich um eine LabVIEW-basierte Datenerfassungsplattform, die als integrierte und flexibel konzipierte Umgebung die Entwicklung von Mess-, Design- und Prototypisierungsanwendungen in einem Lehr- und Lernlabor optimiert. Sie bietet flexible Anbindungsmöglichkeiten und Signalkonditionierung durch austauschbare Leiterplatten für die Prototypenerstellung oder Experimente. Zudem umfasst sie auch integrierten Schutz gegen Kurzschlüsse und hohe Spannungen, variable Stromversorgungsmöglichkeiten und die Erzeugung von Signalfunktionen.
Das Control-Challenge-Experiment umfasst verschiedene lineare und drehbare Regelstrecken wie beispielsweise invertierte Pendel und flexible Auslegerarme. Überdies haben wir spezielle Control-Challenge-Anlagen wie z. B. DOF-Helikopter und -Roboter entworfen.
Professoren und Dozenten können sowohl die QNET-Serien für NI ELVIS als auch die Control-Challenge-Experimente verwenden, um Modellierung, Entwurf von Steuer- und Regelsystemen, Analyse und Implementierung zu vermitteln. Die behandelten Steuer- und Regelgesetze reichen von einfachen SISO-Controllern wie beispielsweise PID-Reglern bis hin zu komplexeren MIMO-Controllern wie etwa LQR-Regelung und der H-unendlich-Methode. Mithilfe dieser Experimente können wir Studenten auch Ansätze der intelligenten Entwicklung von Steuer- und Regelanwendungen auf Grundlage von neuronalen Netzwerken und Fuzzy-Logik vermitteln.
Softwareentwicklung mit LabVIEW-Software für Steuer- und Regelsysteme und Simulation
Wir haben eine Reihe von Design- und Analyseaufgaben, Simulationen und Experimente unter Einsatz des LabVIEW Control Design Toolkit und des LabVIEW Simulation Module entwickelt, die Studenten für alle Phasen des Entwurfs und der Prüfung von Steuer- und Regelsystemen zur Verfügung stehen.
Das LabVIEW Control Toolkit stellt anspruchsvolle grafische Design- und Analysewerkzeuge für Steuer- und Regelsysteme zur Verfügung. Studenten können damit das Regelstreckenmodell und den Controller entwickeln und anschließend die erwartete Systemsprungantwort im Hinblick auf Anstiegszeit, Überschwingung, Einschwingzeit und bleibende Regelabweichung analysieren.
Mit dem LabVIEW Simulation Module können Studenten Regelstrecken, Filter und Controller in Blockdiagrammform innerhalb der LabVIEW-Umgebung darstellen. Drähte im Simulationsmodus zeigen die Richtung des Datenflusses für Systeme mit oder ohne Rückkopplung an.
Wir nutzen das Simulationsmodul, um das Steuerstreckenmodell an die gemessenen Daten anzupassen. Die Studenten passen die Modellparameter fortlaufend an, bis die simulierte Antwort der gemessenen Antwort entspricht. Sie entwerfen und testen dann den Controller auf dem simulierten System und auf der eigentlichen Experimentierhardware.
Das Simulationsmodul wird für die Offline-Simulation und die Implementierung des Steuer- und Regelsystems verwendet. Wir setzten die VIs für die Signalerzeugung sowie Darstellungen der Übertragungsfunktion von Regelstrecken und Filtern in unseren Simulationen ein. Außerdem verwendeten wir untergeordnete Modelle des Diagramms, um die Controller darzustellen.
Lernvorteile für Studenten
Die Lösung von NI und Quanser ermöglicht den Studenten eine sehr intuitive Einarbeitung in theoretische Steuer- und Regelkonzepte und ihre Anwendbarkeit auf reale Situationen und Einsatzbereiche. Studenten können die nahtlose Integration der LabVIEW-Benutzeroberfläche in die Offline-Simulation und die echtzeitfähige Controller-Implementierung und -Messung nutzen. Sie können die Modell- oder Controller-Parameter während der Ausführung ändern und sofort Ergebnisse sehen. Überdies können mithilfe der grafischen Programmierumgebung LabVIEW für das Design und die Analyse des Steuer- und Regelsystems elegante und flexible Benutzeroberflächen entwickelt werden, um Studenten durch den gesamten Entwicklungsprozess zu führen.
Die Integration des Quanser QNET Engineering Trainers in NI ELVIS stellt zeitsparende und modulare Steuer- und Regelexperimente für Labors mit den Schwerpunkten Steuerung, Regelung und Mechatronik bereit. Die Integration der Controls-Challenge-Experimente und HIL-Karten von Quanser in LabVIEW Real-Time unterstützt Studenten dabei, mehr zu erweiterten Steuer- und Regelungsproblemen und zur Echtzeitimplementierung zu lernen. Studenten können mehrere praxisorientierte Experimente und Kurse nutzen, um sich auf anspruchsvolle Tätigkeiten in der Industrie vorzubereiten.
Weitere Informationen erhalten Sie über:
Michael Armata
Marketing Manager
Quanser Inc.
Tel: (905) 940-3575 ext. 223
Fax: (905) 940-3576
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