Regelung eines servo-pneumatischen Linearantriebs mit Schnellschaltventilen

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit werden verschiedene Regelungsstrategien zur servopneumatischen Positionsregelung eines Linearantriebs entworfen. Die Ansteuerung des dabei verwendeten Pneumatikzylinders erfolgt anhand einer pneumatischen Vollbrücke bestehend aus Schnellschaltventilen. Dazu wird ein mathematisches Modell der Schnellschaltventile und des servo-pneumatischen Linearantriebs erarbeitet und mit Hilfe von Messungen abgeglichen. Basierend auf diesen Modellen wird eine Kompensation der Ventildynamik und ein Regelungsentwurfsmodell für die pulsweitenmodulierte Ansteuerung der pneumatischen Vollbrücke entwickelt. In weiterer Folge werden vier unterschiedliche Regelungsstrategien entworfen und deren Ergebnisse miteinander verglichen. Die ersten beiden Regelungsstrategien verfolgen das Ziel, die Funktionalität eines Proportional-Wegeventil nachzubilden. Sie unterscheiden sich dabei in der Entwurfsmethodik. Die dritte Strategie nützt die vier Stelleingänge der pneumatischen Vollbrücke, um eine weitere Regelgröße, den Summendruck, mitberücksichtigen zu können. Die vierte Regelungsstrategie basiert auf den Schaltmodi, die sich durch den Einsatz von Schnellschaltventilen einstellen lassen. Anhand von Simulations- und Messergebnissen wird das Folge- und Störverhalten sowie der Druckluftverbrauch der Regelungsstrategien untersucht.<br />

In this diploma thesis, various strategies for position control of a piston actuator that is driven by a pneumatic full-bridge consisting of fast-switching valves are investigated and designed. For this, a mathematical model of the fast switching valve as well as of the servopneumatic piston actuator is developed and adjusted by means of measurements. Based on these models, a compensation of the dynamics of the valve is performed and a model for the controller design with a pulse-width modulated actuation of the pneumatic fullbridge is proposed. Furthermore, four strategies for position control of the pneumatic actuator are designed. The first two control strategies pursue the objective to emulate the functionality of a proportional-directional control valve. They differ in the used design method. The third control strategy utilizes the four inputs of the pneumatic full-bridge to introduce another control variable, the total pressure of the cylinder chambers as an additional control variable. The fourth control strategy is based on the discrete switching modes resulting from the use of fast- switching valves. By means of simulation and measurement results the tracking and the disturbance behaviour as well as the consumption of pressurized air of the four control strategies are compared and analyzed.