Realisierung einer prototypischen Hardwarelösung für ein inverses Pendel

Diplomarbeit aus dem Jahr 2004 im Fachbereich Elektrotechnik, Note: 1,3, Technische Universität Chemnitz (Informationstechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Schlagworte: Inverses Pendel, Hardware-Regelung, Kalman-Filter, FPGA, LQR, LQG
keywords: inverted pendulum, hardware closed loop control, kalman filter, FPGA, LQR, LQG

Kurzreferat

Ziel der Arbeit ist die anschauliche Demonstration der Leistungsfähigkeit von Hardware- Systemen zur Regelung instabiler Systeme am Beispiel des Inversen Pendels. Dabei handelt es sich um das Balancieren eines Stabes, einem Standard-Problem der Regelungstechnik. Es wird die Konzeption und Implementierung einer Hardware-Regelung in einem FPGA-Prototypenboard zur Realisierung dieser Aufgabe beschrieben. Die Regelung basiert mit LQR-Entwurf und Kalman-Filter auf klassischen Methoden der Regelungstechnik. Zur Demonstration der Regelung wurde ein mechanischer Aufbau vorgenommen, an dem die Funktionsfähigkeit des Inversen Pendels praktisch gezeigt wurde.


Motivation

Regelungen findet man heute auf vielen technischen und nichttechnischen Gebieten. Angefangen von Regelungen in Haushaltsgeräten über geregelte Fahrzeugsysteme (z.B. Klimaanlage, Stabilitätskontrolle) bis hin zu Prozessregelungen industrieller Großanlagen oder Lageregelung von Satelliten besteht ein großer Bedarf an Regelungssystemen. Während einfache Regelungsaufgaben rein mechanisch gelöst werden können, sind für komplexere Aufgaben Mikroprozessoren oder Prozessrechner notwendig.
Ziel dieser Arbeit ist es zu zeigen, inwieweit derartige Regelungen durch dedizierte Hardware realisiert werden können. Dazu soll ein Stab unter Nutzung von Hardwarealgorithmen auf einem beweglichen Schlitten zu balanciert und damit die Leistungsfähigkeit digitaler Hardwaresysteme in Bezug auf zeitkritische Regelungsaufgaben demonstriert werden.
Im Gegensatz zu existierenden Realisierungen des Inversen Pendels soll dabei eine rein in Hardware als Anwendungsspezifischer Schaltkreis (ASIC) vorliegende Lösung entwickelt werden. Demnach soll auf die Nutzung von Software und Mikroprozessoren außer im Entwurfsprozess verzichtet werden. Der eigentliche Regler wird auf einen einzigen rekonfigurierbaren Schaltkreis reduziert und ist damit unabhängig von einem sehr viel größeren Prozessrechner. Dadurch ist eine gewisse Miniaturisierung des gesamten Systems möglich, da eine funktionstüchtige Installation des Inversen Pendels im Schaukasten des Lehrstuhls erfolgen soll.