Regelung von pneumatischen Lasten mithilfe eines piezoelektrischen Stetigventils

Abstract

In dieser Arbeit werden die Entwicklung eines mathematischen Modells und eines modellbasierten Regelungskonzepts für ein zwei-stufiges pneumatisches Stetigventil vorgestellt. Darüber hinaus werden zwei Regelungsstrategien für einen pneumatischen Linearantrieb gegenübergestellt. Ein mathematisches Modell für das zweistufige Ventil und für einen pneumatischen Linearantrieb werden entworfen und an einem Prüfstand experimentell überprüft. Zusätzlich dazu wird die Leitwertkennlinie der Vorstufe sowie die Reibparamter des Hauptstufenventils aus Messergebnissen identifiziert. Eine flachheitsbasierte Vorsteuerung mit einem stabilisierenden linearen Regelgesetz für eine Positionstrajektorie des Hauptstufenventils wird entwickelt und anschließend das Folgeverhalten an einem Protoyp des Ventils untersucht. Zudem werden Anti-Windup Maßnahmen präsentiert und Implementierungskonzepte zur Verbesserung der Reglerperformance vorgestellt. Der Ventilregler wird anhand einer Druckregelung in einem Volumen und einer Positionsregelung eines pneumatischen Linearantriebs zu einer kaskadierten Regelungsstrategie zusammengefügt und getestet. Für den pneumatischen Linearantrieb erfolgt eine Gegenüberstellung einer exakten Eingangs- Zustands-Linearisierung mit einem adaptiven Immersion & Invariance Regelkonzept.

In this diploma thesis, the design of a mathematical model and a model-based control concept for a two-stage pneumatic valve is presented. Furthermore, a comparison between two control strategies for a pneumatic linear actuator are proposed. A mathematical model for a two-stage pneumatic valve and for a pneumatic linear piston actuator is given and validated on a test bench. In addition, an identification concept for the pneumatic conductance characteristics of the preliminary stage and for the friction parameters of the main stage is derived based on experimental results. A flatness-based feedforward controller combined with a stabilizing output controller for a position trajectory of the valve-s mainstage is given and its tracking behaviour is tested on a prototype model. Moreover, an anti-windup approach is presented as well as a concept for implementation in order to improve the conroller performance. The pneumatic valve is used for two applications. First, a control strategy for a pressure regulation in a volume and second, a position controller of a pneumatic linear actuator is applied. The control concept of an exact input-output linearization is compared with an adaptive Immersion & Invariance control law and tested on a pneumatic cylinder on a test bench.