Modellbasierte Positions-, Geschwindigkeits- und Kraftregelung eines 2D-Portalsystems

Abstract

The present diploma thesis deals with the design of a position, speed and force controller for a 2D Cartesian robot. This Cartesian robot system consists of two linear actuators with a ball screw drive, which are mounted perpendicular to each other. The proposed control strategies offer various possibilities for different tasks in a defined Cartesian working area. Based on the mathematical model of the system, an identification and model validation is carried out. The identification parameter refer to the friction parameters and the moving masses of the system. For the position and speed control, exact input-output linearization is applied. The trajectories for the speed control can be generated with a joystick. This joystick is placed on the bottom part of the vertical axes. The joystick is a good way to handle simple teach-in tasks. The experimental results reveal a good tracking performance of the designed position and speed controllers. Moreover, an impedance controller is implemented with a sensor and a state observer. Experimental results demonstrate a good performance. All controllers are tested by means of simulations and are implemented on a test bench.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Positions-, Geschwindigkeits- und Kraftregelung eines Portalsystems. Dieses besteht aus zwei Linearachsen mit Spindelantrieb, welche senkrecht zueinander montiert sind. Die vorgeschlagenen Regelungsstrategien bieten diverse Möglichkeiten für unterschiedliche Handhabungsaufgaben in einem definierten kartesischen Arbeitsbereich. Aufbauend auf den Modellgleichungen wird eine Parameteridentifikation und Modellvalidierung durchgeführt. Die Parameteridentifikation bezieht sich auf die Reibparameter und die bewegten Massen des Systems. Für die Positions- und Geschwindigkeitsregelung werden Methoden der exakten Eingangs-Ausgangslinearisierung angewandt. Die Solltrajektorien für die Geschwindigkeitsregelung können über einen montierten Joystick vorgegeben werden. Dies erlaubt ein interaktives Einlernen von einfachen Handhabungsaufgaben. Die Positions- und Geschwindigkeitsregelung liefert ein sehr gutes Trajektorienfolgeverhalten, welches auch experimentell bestätigt wurde. Im Weiteren wird eine Impedanzregelung mit einem Sensor und einem Beobachter realisiert. Hierbei bestätigen Untersuchungen, dass die Impedanzregelung eine sehr hohe Güte aufweist. Sämtliche Regelungsstrategien werden anhand von Simulation getestet und am Prüfstand implementiert.