Automatisierte Kalibrierung, modellbasierte Identifikation und Regelung eines Bildderotators

Autor*in: Benjamin S. Rohloff

ISBN: 978-3-95900-051-2

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2015

Herausgeber*in der Reihe: Eduard Reithmeier

Band-Nr.: imr 02/2015

Umfang: 202 Seiten, 117 Abbildungen

Schlagworte: optomechatronischer Bildderotator, automatisierte Kalibrierung, strukturiertes rekurrentes neuronales Netz, nichtlineare Regelungsnormalform

Kurzfassung:  Untersuchungen an rotierenden Objekten auch während des Betriebs sind für ein Verständnis des Systemverhaltens unerlässlich. Dafür eignen sich berührungslose Messverfahren in Kombination mit einem optomechatronischen Bildderotator besonders auf Grund der zahlreichen Vorteile gegenüber klassischen Ansätzen. Die Qualität der Messergebnisse ist abhängig von einer exakten Eliminierung der Rotation des zu untersuchenden Objektes. Diese wird wiederum von verschiedenen Faktoren beeinflusst.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Derotator basierend auf einem Spiegelsystem weiterentwickelt. Durch die Implementierung verschiedener Funktionen wird die Messgenauigkeit und die Flexibilität des Systems in Bezug auf sich ändernde Messbedingungen entscheidend gesteigert.

Auf Grundlage eines mathematischen Modells der optischen Abbildung wird diese mit einem industriellen Bildverarbeitungssystem messtechnisch erfasst und so die Möglichkeit geschaffen den Einfluss dejustierter Spiegel sowie einer fehlerhaften Lage des Derotators gegenüber einem Messobjekt durch berechenbare Parameter zu quantifizieren. Darauf aufbauend wird das Spiegelsystem konstruktiv angepasst und der Einfluss auf die optische Abbildung im Rahmen einer Justierung der Spiegel minimiert. Mit einem automatisierten Kalibrierungsalgorithmus und einer 6-Achsen-Parallelkinematik wird die Lage des Derotators gegenüber einem Messobjekt iterativ optimiert.

Der elektromechanische Antrieb des Derotators wird mit einem strukturierten rekurrenten neuronalen Netz identifiziert, wobei neben den linearen Parametern auch die nichtlineare Lagerreibung bestimmt wird. Nach einer Transformation der Regelstrecke in die nichtlineare Regelungsnormalform wird eine Zustandsrückführung implementiert. Im Rahmen von Versuchen wird die Überlegenheit gegenüber verschiedenen konventionellen Regelungen gezeigt. Mit Hilfe einer sättigenden weichen strukturvariablen Regelung wird die Regelgüte weiter verbessert, sodass der Derotator auch in transienten Betriebszuständen die Rotation eines Messobjektes eliminiert. Die Implementierung einer bildrückgeführten Regelung schafft die Möglichkeit auch Messobjekte ohne Drehzahlsensor zu untersuchen.

Zum Abschluss werden die charakteristischen Eigenformen eines Schaufelrades und einer Blisk mit einem Laser-Doppler-Vibrometer gemessen. Die hervorragenden Ergebnisse demonstrieren das Einsatzpotenzial des Gesamtsystems für die Untersuchung rotierender Objekte mit optischen Messverfahren.