Käänteinen heiluri

Abstract

Opinnäytetyö toteutettiin Tampereen ammattikorkeakoululle prosessiautomaatiotekniikan laboratorioon. Työssä selvitettiin käänteisen kelkkaheilurin rakenteen ja PID-säädön vaatimukset. Vaatimusten perusteella suunniteltiin, rakennettiin ja ohjelmoitiin toimiva kokonaisuus, jota tullaan hyödyntämään harjoitusalustana tuleville sähkö- ja automaatiotekniikan opiskelijoille.

Ohjelmointi toteutettiin Siemens TIA Portal -ohjelmistolla ja 1200-sarjan ohjelmoitavalla logiikalla (PLC). Ohjelma sisältää erilaisten signaalien käsittelyä, PID-säätimen, sekvenssiohjauksen sekä DC-moottorin suunta- ja nopeusohjauksen luonnin. Ohjelman tavoitteena oli saada heiluri heilautettua ja tasapainotettua yläasentoon sallien pieni liike heilurintangossa sekä kelkan liikkuminen koko lineaarikiskon pituudella. Heiluritangon tuli myös kestää kevyitä ulkoisia voimia, kuten kädellä kopautus tankoon sen kaatumatta.

Tuloksena syntyi vaatimukset täyttävä toimiva kokonaisuus, jota voidaan edelleen jatkojalostaa pienillä toimenpiteillä paremmaksi. Työssä luodun järjestelmän avulla opiskelijoiden on mahdollista päästä käytännön kautta kokeilemaan epävakaan, aliohjatun sekä epälineaarisen järjestelmän PID-säätimen virittämistä ja hienosäätöä erilaisin menetelmin. Samalla opiskelijat pääsevät harjoittelemaan ohjelmointia laajalti käytössä olevalla Siemens TIA Portal -ohjelmointiympäristöllä.

Harjoitusalustana käyttöä ideoidaan, mutta tehtäväkokonaisuuden tekeminen ja selostaminen rajautuu kuitenkin tästä työstä pois. Työn ulkopuolella kokonaisuudesta räätälöidään siis tehtäväpaketti, joka on mahdollista suorittaa yhden laboratoriokerran (4–8 h) aikana.

The thesis was carried out for the process automation laboratory at Tampere University of Applied Sciences. The objective was to determine the structural and PID control requirements for an inverted pendulum system. Based on these requirements, a functional system was designed, constructed, and programmed to serve as a training platform for future students of electrical and automation engineering.

The Programming was implemented using Siemens TIA Portal software and a 1200-series programmable logic controller (PLC). The program’s objective was to swing up and stabilize the pendulum in the upright position. Minor oscillations in the pendulum rod and cart’s movement along the rail were allowed.

As a result, a fully functional system meeting the specified requirements was developed. Minor modifications could be made to further improve the system. The system allows students to gain hands-on experience in tuning a PID controller for an unstable, underactuated and nonlinear system. They also become familiar with the widely used Siemens TIA Portal programming environment.

Potential training platform uses are considered, but the design and documentation of specific assignments are excluded from the scope of this thesis. These assignments will be developed separately as a task package to be completed during a single lab session (4-8 hours).