Modellierung und flachheitsbasierte Regelung eines Labor-Turmkranes

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung und der Entwicklung einer Vorsteuerung sowie Positionsregelung des Laborversuchs "Turmkran" der Firma Quanser. Zu Beginn erfolgt die Herleitung des mathematischen Modells des Turmkranes zur Beschreibung der Kinematik und Dynamik. Anschließend werden zur Parametrierung des mathematischen Modells noch Parameter ermittelt. Eine Analyse des mathematischen Modells zeigt die Existenz eines flachen Ausganges des Systems. Mit diesem wird eine flachheitsbasierte Vorsteuerung realisiert, welche eine gezielte Planung der Trajektorie der Last ermöglicht. Um eine möglichst exakte Positionierung der Last zu ermöglichen und eine eventuell auftretende Pendelbewegung des Seils gut unterdrücken zu können, wird anschließend eine unterlagerte Positionsregelung entworfen.<br /> Die Eigenschaften und die Güte der gesamten Regelungsstrategie wird im letzten Kapitel anhand von Messungen dargestellt.<br />

The thesis is concerned with the mathematical modelling and design of a feedforward and position control for the laboratory experiment "Tower Crane" by Quanser. First, a mathematical model is derived which captures the kinematics and dynamics of the tower crane. Then certain parameters have to be determined in order to provide a full parametrisation of the mathematical model. The analysis of the mathematical model shows that the mathematical model is differentially flat. Based on this a feedforward controller is designed for a specific planning of the trajectory of the load. Afterwards a subordinate position control is developed to stabilize the trajectory error dynamics and to reduce spurious oscillations of the load.<br />The characteristics and the performance of the control strategy are demonstrated by means of measurement results in the last chapter.