Kugelwaage
Versuchsaufbau für Regelungstechnik-Labor

Die Kugelwaage ist ein faszinierendes Lehrmodell, das die Prinzipien der Regelungstechnik anschaulich vermittelt. Mit einem speziell hierfür entwickelten Funktionsblockeditor können Studierende eigenständig Regelkreise entwerfen und optimieren. Ziel ist es, die Neigung der Wippe über einen Propellerantrieb so präzise zu steuern, dass eine Metallkugel stabil in der Mitte balanciert wird.

Im Zentrum der Regelstrecke steht ein Propellerantrieb, der mit einem drehbar gelagerten V-Profil verbunden ist. Auf diesem kann eine Kugel frei rollen. Ein Servomotor verändert den Anstellwinkel der Rotorblätter, um gezielt Schub nach links oder rechts zu erzeugen und so die Neigung der Wippe zu verändern.

Die Herausforderung besteht darin, einen Regelkreis zu entwickeln, der das hochdynamische und instabile System so steuert, dass die rollende Kugel in der Mitte des V-Profils zum Stillstand kommt. Bereits geringste Neigungsänderungen versetzen die Kugel in Bewegung. Das Eigengewicht der Kugel wirkt dabei ebenso als Störgröße wie die variierende Propellerdrehzahl und Verwirbelungen des Luftstroms. Diese Faktoren erhöhen die Komplexität einer stabilen Regelung erheblich.

Für die Regelung stehen die Kugelposition und der Neigungswinkel der Wippe als Messgrößen zur Verfügung. Als einziges Stellelement muss ein pitchverstellbarer Propeller genügen, um die Kugel in Balance zu halten.

Für die Erstellung eines Reglers steht ein speziell für diesen Aufbau entwickelter Funktionsblockeditor zur Verfügung. Der in VB.NET programmierte Editor umfasst alle gängigen Regelglieder, wie beispielsweise PIDT1-Regler, und lässt sich durch selbstdefinierte Funktionsblöcke flexibel erweitern. Ein besonderes Merkmal ist, den gesamten Signalverlauf während der Laufzeit bearbeiten zu können. Änderungen werden sofort wirksam, ohne dass erneutes Kompilieren wie z.B. bei MATLAB Simulink erforderlich ist.

Die Kugelwaage bildet ein komplexes, nichtlineares Regelungssystem ab. Der entwickelte Regelkreis umfasst insgesamt vier Kaskaden mit fünf PIDT1-Reglern, die auf die Zustandsgrößen Geschwindigkeit und Position von sowohl Kugel als auch Wippe einwirken. Jede Kaskadenstufe ist fein aufeinander abgestimmt, um die Kugel trotz der instabilen Rahmenbedingungen zuverlässig im Mittelpunkt zu halten.

Zum besseren Verständnis der Komplexität kann der Versuchsaufbau wahlweise manuell über einen Joystick gesteuert werden. So wird schnell klar, wie anspruchsvoll bzw. nahezu unmöglich es ist, die Kugel ohne eine ausgefeilte Regelung in Balance zu halten.

Alle mechanischen Komponenten wurden in AutoCAD entworfen und auf einer CNC-Fräse gefertigt. Dies ermöglichte eine hohe Passgenauigkeit und Zuverlässigkeit in der Umsetzung.

Für die Programmierung des Funktionsblockeditors in VB.NET wurde Visual Studio verwendet, während für die Mikrocontroller-Programmierung in C++ das ATMEL AVR-Studio zum Einsatz kam. Zusätzlich wurde HTerm verwendet, um die serielle Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller und dem PC bei der Entwicklung zu überwachen.

Die THWS (Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt) hat den Versuchsaufbau „Kugelwaage“ für ihr Regelungstechnik-Labor übernommen. Prof. Dr. Abid Ali, der das Labor leitet, bedankte sich herzlich für das außergewöhnliche Engagement.

Die Person, die sich der Herausforderung stellt und es schafft, einen Regler zu entwickeln, der die Kugel präzise in der vorgegebenen Position stabilisiert, wird mit einer Urkunde und einem Preis von Ingenieur Glaser ausgezeichnet. :)

Herzlichen Dank an Prof. Dr. Ali für die fundierte Vermittlung wertvoller regelungstechnischer Werkzeuge während meines Studiums. Die praxisnahen und tiefgreifenden Übungen ergänzend zu den Vorlesungen haben mir eine solide Grundlage geschaffen, die bis heute eine zentrale Rolle in meiner ingenieurwissenschaftlichen Arbeit spielt und wesentlich zu meinem Verständnis komplexer technischer Systeme beiträgt.