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Technical University of Munich

Modern Control - Lab Course -

Lecturer (assistant)
Felix Anhalt
Levent Ögretmen
Phillip Pitschi
Felix Anhalt
Number 0000002118
Type practical training
Duration 4 SWS
Term Sommersemester 2024
Language of instruction German
Position within curricula See TUMonline
Dates See TUMonline

Admission information

See TUMonline
Note: Die Anmeldung erfolgt über TUM Online über das Anmeldeverfahren "Semesterbegleitende Praktika".

Objectives

Nach der Teilnahme am Modul sind die Studierenden in der Lage
• die Modellbildung der verschiedenen Versuchssysteme zu erklären,
• verschiedene Echtzeitsysteme (dSpace, speedgoat), mit denen eine Regelung an einem realen System umgesetzt werden kann, zu nennen und
• unter vorgegebenen Konfigurationen zu bedienen,
• die im Folgenden genannten Regler und regelungstechnischen Algorithmen in der Umgebung Matlab/Simulink umzusetzen:
- LQ-Regler und Kalman-Filter für ein System aus einem inversen Pendel und zwei elastisch miteinander verbundenen Wagen,
Entkopplung des Mehrgrößensystems und Regler mit perfektem Folgeverhalten sowie Trennung von Führungs- und Störverhalten für die Synchronisation zweier Gleichstrommotoren,
- FxLMS-Algorithmus zur Vibrationsunterdrückung,
- lineares Entkopplungsnetzwerk, nichtlineare Entkopplungsregelung mittels Ein-/Ausganslinearisierung und Anti-Wind-Up Maßnahme für ein Mehrtanksystem,
- flachheitsbasierte Steuerung und energiebasierter Regler zum schwingungsarmen Verfahren einer schweren Kette,
• das Verhalten der geregelten Systeme zu beurteilen,
• die Auswirkung der Parameter der Regelung bzw. Algorithmen zu verstehen und
• geeignete Parameterwerte zu bestimmen.

Description

Experimental setups:
- Inverted pendulum,
- Multi-tank system,
- A setup for the synchronisation of two dc-engines,
- A setup for vibration suppression at an engine mount.

Prerequisites

Lecture "Modern Methods for Control system design 1" (obligatory)
Lecture "Modern Methods for Control system design 2" (strongly recommended)

Teaching and learning methods

Das Modul findet in Form eines Praktikums statt. Die Studierenden werden in Gruppen eingeteilt und erhalten für jeden Versuch die Aufgabenstellung. Die Vorbereitung dazu findet selbstständig in der Eigenstudiumszeit mittels der Versuchsbeschreibungen und Hausaufgaben (werden rechtzeitig online zur Verfügung gestellt) statt. Hier sollen die Studierenden vor allem die Modellbildung und den später im Versuch eingesetzten Reglerentwurf in der Theorie erlernen. Durch kleinere Programmieraufgaben wird jedoch auch schon die Grundlage für die Umsetzung des Reglers in Matlab/Simulink gelegt. Am Versuchstermin werden die Regelungen dann mittels Matlab/Simulink implementiert, getestet
und optimiert (je Termin ein Versuchsaufbau). Während der Durchführung werden die Gruppen von Assistent*innen begleitet, um die Bedienung der verschiedenen Echtzeitsysteme zu erlernen, das Vorgehen zu diskutieren und fachliche Fragen zu klären. Nach der Durchführung fassen die Studierenden das Vorgehen, die Ergebnisse und ihren Erkenntnisgewinn in einem Protokoll zusammen. Neben der Bedienung der Echtzeitsysteme und der Umsetzung der Regler in Matlab/Simulink sollen die Studierenden bei der Durchführung und durch die Protokollierung insbesondere erlernen, wie das Verhalten eines geregelten Systems beurteilt und geeignete Reglerparameter gefunden werden können.

Examination

Die Modulprüfung erfolgt in Form einer Laborleistung, die die Vorbereitung, Durchführung, Auswertung und Erkenntnisgewinnung von insgesamt 5 Versuchen zum Ziel hat. Die Studierenden absolvieren, eingeteilt in Gruppen mit maximal 3 Personen, 5 Versuche, wobei jeder Versuch mit einer Gewichtung von 20% in die Modulnote eingeht. Vor jedem Versuch fertigen die Studierenden eine Hausaufgabe an, in der Verständnisfragen, Rechenaufgaben und kleinere Programmieraufgaben. Zu Beginn jedes Versuchs werden zunächst die theoretischen Grundlagen in einer mündlichen Prüfung (Dauer ca. 10 min pro Teilnehmer) anhand von Verständnisfragen und kleiner Rechenaufgaben abgefragt (ohne Hilfsmittel). Zudem werden die Durchführung und das schriftliche Protokoll (ca. 5-10 Seiten) zu jedem Versuch bewertet. Die Note für jeden Versuch berechnet sich dabei anhand folgender Gewichtungen: Hausaufgabe: 1/3, mündliche Prüfung: 1/3, Durchführung: 1/6, Protokoll: 1/6.

Recommended literature

- Föllinger, O.: Regelungstechnik. VDE Verlag 2022. ISBN: 9783800755189

- Föllinger, O.: Nichtlineare Regelungen 1 und 2. De Gruyter Oldenbourg 1998/1993. ISBN: 9783110406153 bzw. 9783110406146

- Adamy, J.: Nichtlineare Systeme und Regelungen. Springer 2018. ISBN: 9783662556856

Links

Angebot

Das Praktikum wird nur im Sommersemester angeboten.

Beschreibung

Das Praktikum vertieft den Stoff der Vorlesungen „Moderne Methoden der Regelungstechnik 1" und „Moderne Methoden der Regelungstechnik 2“. Idealerweise wird es daher erst im Anschluss an diese beiden Vorlesungen besucht. Wer sich entschließt, das Praktikum vorlesungsbegleitend zu besuchen, muss mit deutlich erhöhtem Vorbereitungsaufwand rechnen.

Folgende aus den Vorlesungen bekannte Methoden werden dabei an mechatronischen und verfahrenstechnischen Laboraufbauten zur Anwendung gebracht:

  • Zustandsregelung 
  • quadratisch optimale Regelung 
  • Zeitoptimale Regelung
  • lineare und nichtlineare Entkopplung 
  • Flachheitsbasierter Steuerungsentwurf
  • Mehrgrößenregelung zur Vibrationsunterdrückung 

Versuchsaufbauten:

  • inverses Pendel 
  • Mehrtanksystem 
  • Aufbau zur Synchronisation zweier Gleichstrommotoren 
  • schwingungsarmes Verfahren einer hängenden Kette
  • Aufbau zur Vibrationsunterdrückung an einem Kfz-Motorträger 

Matlab- und Simulink-Vorkenntnisse

In fast allen Versuchen dieses Praktikums kommt die Software Matlab/Simulink zum Einsatz. Es wird davon ausgegangen, dass bereits Erfahrungen im Umgang mit Matlab/Simulink bestehen. Für die Teilnehmer, die noch keine Erfahrung im Umgang mit diesen Programmen haben, wird empfohlen, sich grundlegende Kenntnisse der Software anzueignen. Beispielsweise werden vom Hersteller MathWorks kostenlose Online-Einführungskurse zum Selbststudium angeboten:

MATLAB Onramp
Simulink Onramp

Arbeitsrechner für die Einarbeitung in Matlab/Simulink stehen den Praktikumsteilnehmern am Lehrstuhl für Regelungstechnik während des Praktikums zur Verfügung.

Anmeldung zum Praktikum

Die Anmeldung erfolgt in TUMonline über das zentrale Vergabeverfahren. Sollten nach der Zuteilung noch freie Plätze verbleiben, ist auch eine nachträgliche Anmeldung über TUMonline möglich.

Termine

Die Vorbesprechung (verpflichtend) zum Praktikum findet am 17.04.2024 von 16:30 bis 18:00 Uhr im Seminarraum MW 2235 statt. An diesem Termin wird der allgemeine Ablauf des Praktikums erklärt und eine Sicherheitsunterweisung durchgeführt.

Das Praktikum setzt sich aus fünf Einzelversuchen zusammen, die im 14-tägigen Rhythmus von jeder einzelnen Gruppe à 3 Teilnehmern durchgeführt werden. Die Versuchsdurchführung je Einzelversuch dauert etwa 3 Stunden. Die Praktikumsversuche finden vormittags von 9:00 bis 12:00 Uhr bzw. nachmittags von 14:00 bis 17:00 Uhr im Zeitraum vom 29.4. bis zum 5.7.2024 statt.

Den vorgesehenen Zeitplan der einzelnen Versuche entnehmen Sie bitte nach der Anmeldung via TUMonline der Moodle-Seite zum Praktikum.

Das Erscheinen zu den einzelnen Versuchsterminen ist Pflicht! Ersatztermine werden nur im Ausnahmefall (z. B. bei Krankheit etc.) angeboten.

Durchführung/Benotung

  • Die Durchführung des Praktikums erfolgt in 10 Gruppen à 3 Personen.

  • Für jeden Versuch muss von jeder Gruppe eine Hausaufgabe erstellt und abgegeben werden!

  • Bei jedem Versuch werden Noten auf die Hausaufgabe, ein Eingangstestat und die Durchführung (u. U. mit Ausarbeitung) vergeben.

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