Zitat:

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Original geschrieben von Neil
Schaue ich mir als vergleichendes System einen Modellhubschrauber an, so gibt es für die Regelektroniken. Eine heißt Heading-lock und erfüllt genau die Funktion die wir gerne hätten.

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Nur auf den ersten, flüchtigen Blick!
Zwei Probleme bleiben:
- Die Stabilisierung einer Rakete erfordert ein ungleich schnelleres Regelsystem
- Die Stabilisierung einer Rakete erfordert ein Regelsystem mit Parametern, welche perfekt auf die physikalischen Eigenschaften abgestimmt sind. Bei Heli spielt es keine Rolle, wenn das Regelsystem nach einer Störung nicht automatisch auf die Ausgangsrichtung zurückgeht, dann korrigiert eben der Pilot.
Wenn der Regler ein wenig falsch eingestellt ist, dann dreht sich der Helikopter im schlimmsten Fall langsam um seine Achse, völlig unproblematisch. Dann hat man alle Zeit der Welt daran rumzuschrauben bis die Parameter stimmen. Die hast Du bei der Rakete nicht: Wenn die Parameter nicht auf anhieb stimmen bleibt nichts übrig woran Du noch schrauben kannst, im besten Fall...

Zitat:

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Original geschrieben von Neil
Bei dieser Elektronik gibt es genau zwei Werte zum einstellen und die scheinen ausreichend zu sein.

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Klar, das ist ein PD-Regler, man kann den Proportional- und den Differential-Teil verstellen.

Zitat:

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Original geschrieben von Neil
Ich denke von der Größe und Masse her ist ein Modellhubschrauber durchaus mit einer Rakete zu vergleichen.

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Rechne man nach!

Zitat:

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Original geschrieben von Neil
Ich frage mich jetzt, ob das ganze wirklich so heiß gekocht wird wie es immer erzählt wird, oder ob ich das falsche Vergleiche?

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Komisch ist einfach, dass es keiner glauben mag, selbst wenn man selber keine Erfahrungswerte hat und es von Leuten gesagt kriegt die sich damit beschäftigt haben.
Es ist ein sehr interessantes Thema, aber mit "Ausprobieren" (ohne den theoretischen background) wird da nie was rauskommen.

Gruss

Jürg

Zitat:

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Original geschrieben von Dino
@Neil: es ist schon richtig, der Vergleich mit dem Spazierstock (oder Besenstiel, oder sowas):
ich stelle es mir tatsächlich nicht so ganz einfach vor, z.B. eine auf einer horizontalen Ebene in zwei Achsen motorisch verschiebbare Platte zu konstruieren, die einen Gegenstand wie z.B. einen darauf stehenden Spazierstock in der Senkrechten hält, an dem ein Kreiselsensor die Lage bestimmt - was dem Finger-Balance-Modell entspräche.

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Das Problem daran ist, dass es nicht genügt wenn sich die Platte in die richtige Richtung bewegt, sie muss das auch noch genau mit der richtigen (vom momentanen Verhalten des Stockes abhängigen) Geschwindigkeit tun und vor allem auch so, dass nicht überschossen wird sondern dass die Bewegung gedämpft wird. Sonst schaukelt sich die Sache einfach auf, irgendwann gerät der Servo in Sättigung (sehr schnell passiert das) und das System kippt.
Der Stock ist ein sehr gutes Beispiel mit ganz ähnlichen Anforderungen! Wer das regeltechnisch schafft, der kann sich an die Rakete ranwagen.

Zitat:

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Original geschrieben von Neil
@Jürg:

Zitat:

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Die erwähnte Rakete war meine Diplomarbeit als Elektroingenieur mit Vertiefungsrichtung Regelungstechnik, anno 1991. Sie flog damals auf einem "F" Treibsatz erfolgreich.

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was bedeutet in dem Fall erfolgreich? Wie zu sehen ist, hatte die Rakete Flossen, wenn auch die Abgebildeten im Schwerpunkt waren, also war die Rakete doch schnell genug für aerodynamische Stabilisierung, oder habe ich das falsch verstanden?

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Aus Sicherheitsgründen war sie zweistufig, unten ein F80 in der Startstufe mit Flossen, Oberstufe ohne Flosse mit einem F50. Das sieht man in dem Thread nicht, die "Prova" (so heisst die Rakete) wurde darin ja auch nur am Rande erwähnt und nicht vollständig dokumentiert.
Ich habe das aus Sicherheitsgründen gemacht, das gab der Rakete mal einen Geschwindigkeitsvektor "in gute Richtung" und etwas Abstand zu harten Hindernissen wie Mutter Erde zum Beispiel , bevor die Gyro-Stufe zum Einsatz kam.
Erfolgreich heisst: Die Oberstufe war stabil solange der Motor brannte, hat aber aufgrund der Kreiselabdrift (die Kreisel waren mechanisch, Eigenbau) einen leichten Bogen (ich schätze 10°) beschrieben. Es waren auch deutliche Korrekturen durch den Treibsatz erkennbar. Nach Brennschluss hat sie sich überschlagen. (da war ja nichts mehr was sie hätte stabil halten können)
Erfolgreich heisst auch: Ich habe sie noch!

Zitat:

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Original geschrieben von Neil
Ich meine nur, das Ziel der ganzen Technik sei es eigentlich, eine Rakete auch stabil fliegen zu können, wenn sie LANGSAM ist, und DANN greift das Argument von Neil, dass die nötigen Reaktionszeiten nicht so sehr von denen bei Modellhubschraubern abweichen.

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Das ist eine Fehlüberlegung.
Dass die Rakete langsam fliegt heisst in diesem Zusammenhang nur, dass sie langsam fliegt!
Ideal treten ja keine aerodynamischen Kräfte auf, die Geschwindigkeit ist also völlig egal.
Was in diesem Zusammenhang relevant ist ist das Rotationsträgheitsmoment der Rakete. Dieses ist nicht geschwindigkeitsabhängig.

Gruss

Jürg

Geändert von Juerg am 13. Juni 2008 um 15:22

Hi Jürg,

Zitat:

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Das ist eine Fehlüberlegung.
Dass die Rakete langsam fliegt heisst in diesem Zusammenhang nur, dass sie langsam fliegt!
Ideal treten ja keine aerodynamischen Kräfte auf, die Geschwindigkeit ist also völlig egal.
Was in diesem Zusammenhang relevant ist ist das Rotationsträgheitsmoment der Rakete. Dieses ist nicht geschwindigkeitsabhängig.

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Ja, hat Neil auch schon gesagt, stimmt auch - für Vakuum, - es treten eben doch aerodynamische, geschwindigkeitsabhängige Kräfte auf, seitliche Anströmung bei Kursabweichung und so - aber egal, bei Dir hat es also funktioniert (ohne Berücksichtigung aerodynamischer Effekte??)- dann gibt es ja Referenzwerte, und wir brauchen hier nicht ins Blaue zu theoretisieren.
Du weißt ja aus praktischer Erfahrung, wovon Du hier schreibst, also bitte ich um Information:
Wie unterscheiden sich denn die Modellhubschrauber-Kreisel von Deinen Selbstgebauten?
Welche qualitativen und quantitativen Unterschiede gibt es zwischen Deinem funktionierenden System und diesem Modellhubschrauber-System? Ich kenne Keines von Beiden und bin immer lernbegierig
Zwar hast Du schon Einiges dazu in der Antwort an Neil geschrieben, aber das ist mir etwas zu allgemein.
Was das System prinzipiell können muss, das ist klar, aber weshalb genau es diese kommerzelle Variante nicht kann, bitte ich einem Regeltechnik-Laien nochmal etwas näher zu erklären.

Gruß

Dino

Hi,

ein Modellhubschrauberkreisel ist mehr als ein Kreisel. Er enthält das Gyroskop, den eigentlichen Sensor welcher aber in diesem Fall nicht rotiert sondern oszilliert, und einen Mikrocontroller. Bei der SW des Mikrocontrollers handel es sich um einen Regler, der ein Korrektursignal zum eingespeisten Signal der Fernbedienung addiert und es an den Servo weiterleitet.

Der Klassiker unter den Reglern ist der sogenannte PID-Regler. So einer ist dort vermutlich auch implementiert und er ist auch grundsätzlich für Raketen einsetzbar. Ein einfacher PID Regler kennt drei Parameter. Die bestimmen wie stark die proportionale, die integrierte und die differenzierte Regelabweichung gewichtet werden. Diese Summe stellt dann den Ausgang des Reglers da. Falls man die Werte stark gewichtet, wird der Regler relativ heftig und damit schnell auf die Störung reagieren. Unter Umständen reagiert er zu heftig, was sich dann in Überschwingern zeigt. Das Video von Gert ist ein schönes Beispiel dafür.
Falls die Werte dagegen zu niedrig gewichtet sind, wird der Regler viel zu mild auf die Abweichung reagieren und damit mehr oder weniger nutzlos sein.
Die Kunst der Regeltechnik besteht jetzt darin das System richtig zu charakterisieren. Ein Faktor ist das Trägheitsmoment der Rakete. Andere sind die Wirksamkeit und das Zeitverhalten der Aktuatoren. Diese bestimmen wie die Regelstrecke (die Rakete) auf einen gewissen Output des Reglers reagieren. Durch geeignete Auswahl der Regelparameter kann man dann normalerweise erreichen dass das Gesamtsystem auf Störungen zwar schnell und wirksam reagiert, aber eben nicht überreagiert. Wenn man jetzt mit "irgendeinem" Parametersatz für einen Hubschrauber daherkommt kann man mal davon ausgehen dass dieser zumindest nicht optimal ist. Vermutlich ist er aber völlig ungeeignet.
In den meisten Fällen, sei es ein Hubschrauber oder auch die Heizung eines Hauses kann man die Parameter meist gut austesten und wenn notwendig auch eingreifen. Außerdem sind schon Erfahrungswerte seitens der Hersteller vorhanden die dafür sorgen dass sich die Einstellungen schon in der richtigen Größenordnung befinden. Bei einer Rakete verhält sich die Sache anders. Wenn diese aktiv stabilisiert ist, muss der Regler auf Anhieb funktionieren oder es kommt mit ziemlicher Sicherheit zum Absturz. Um die richtigen Settings im Vorfeld zu finden ist daher entsprechendes regeltechnisches KnowHow notwendig.
Raketen sind, unabhängig von den unbekannten Regelparametern, aber noch besonders anspruchsvolle Objekte. Sowohl eine Schubvektorsteurung als auch eine Steuerung über die Flossen sind nicht einfach linear. Der Schub von Hobbymotoren ändert sich mit der Zeit und die Wirksamkeit der Steuerflächen ändert sich stark mit der Geschwindigkeit. Ein simpler PID Regler wird deshalb die meiste Zeit mit suboptimalen Settings betrieben. Man kann diese Einflüsse berücksichtigen, aber man braucht dazu dann erstens einen modifizierten Regler zweitens muss man dem Regler die entsprechenden Informationen zukommen lassen. Spätestens hier kommt man mit den typischen Modellbaukreiseln nicht mehr weiter. Man sieht das übrigens auch ganz gut in Gerts Video. Wenn die Rakete schnell ist, schaukelt sie sich besonders heftig auf.
Ein weitere Punkt ist jener dass man genau genommen die drei Achsen einer Rakete nicht unabhängig voneinander betrachten darf. Es können sich nämlich gekoppelte Oszillationen entwickeln und auch die Orientierung kann man nicht unabhängig voneinander betrachten. Mathematisch gesagt kommutieren die Rotationen nicht, es macht also einen Unterschied ob die Rakete zuerst um die x-Achse und dann um die y-Achse rotiert oder umgekehrt. Da vor allem die Rollregelung anders reagieren wird als die Nick- und Gierregelung werden Fehler in der Orientierung entstehen falls man dies nicht berücksichtigt.

Wer sich für die Materie interessiert, Christoph Truöl (Username: tr0815) hat ein Buch über die Materie geschrieben: "Modellraketen aus automatisierungstechnischer Sicht". Das beleuchtet die Grundlagen der Materie und man bekommt einen guten Überblick. Zumindest Grundkenntnisse in der Mathematik und Mechanik sollte man dafür aber haben.

Gruß
Reinhard

Geändert von Reinhard am 14. Juni 2008 um 00:44

Zitat:

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Original geschrieben von Dino
bei Dir hat es also funktioniert (ohne Berücksichtigung aerodynamischer Effekte??)-

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Ich habe versucht CP und CG aufeinander zu legen. Insofern habe ich schon versucht die aerodynamischen Kräfte zu berücksichtigen, nämlich so dass sie nicht reinspielen.
Die Anti-Drall Flügel habe ich auf Höhe des CP platziert.
Natürlich ist das nicht die Realität, man muss viele vereinfachende Annahmen machen damit man so ein System überhaupt (einigermassen einfach) rechnen kann.

Zitat:

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Original geschrieben von Dino
dann gibt es ja Referenzwerte, und wir brauchen hier nicht ins Blaue zu theoretisieren.

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Mindestend drei sind mir bekannt, ja. Ein Team von Amerikanern hat das etwa zur gleichen Zeit versucht. Ein weiterer erfolgreicher Versuch war durch einen UKRA Modellbauer im 1996 auf G12 (die Rakete stand mehr als sie flog und erreichte keine 100m Höhe in 7 Sekunden, der bisher spektakulärste Flug)

Zitat:

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Original geschrieben von Dino
Wie unterscheiden sich denn die Modellhubschrauber-Kreisel von Deinen Selbstgebauten?

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Die ersten Modellbau-Kreisel waren einfache mechanische Wendekreisel. Heute sind es Chip-Kreisel.
Es ist nicht der Aufbau welcher entscheidet sondern der Regler!
Ich mache Dir ein Beispiel: Die Wärme in Deinem Haus kannst Du locker von Hand "regeln", Du hast alle Zeit der Welt zu reagieren wenn es warm genug ist, und es kommt auch gar nicht darauf an ob Du einfach Ausschaltest oder die Heizleistung langsam zurückfährst.
Im Vergleich zum Stellglied (Schalter) ist die Regelstrecke (Heizung -> Temperaturanstieg) so extrem viel langsamer, dass Du nie Stabilitätsprobleme bekommst.
Jetzt versuch mal Deine Wohnzimmerlampe in der Helligkeit zu regeln indem Du schnell ein- und ausschaltest! Geht nicht! Und es geht nicht nur nicht weil Du zu langsam bist, der Schalter selber ist zu langsam, lässt aufgrund seiner Trägheit gar keine genügend schnelle Reaktion zu.

Bei Der Rakete hast Du das Problem, dass die Reaktion der Rakete ähnlich schnell erfolgt wie die Stellglieder reagieren können. Das heisst es genügt ein simples Ein- und Ausschalten nicht,! Das Stellglied muss die richtige Signalgrösse im richtigen Moment (Amplitude und Phasenlage, Stabilitäts, Nyquist Stabilitätsmarge etc.) liefern und muss auch die Gegenbewegung beim Erreichen der Mittellage abstoppen.
Bildlich gesehen liegt der Helikopter irgendwo zwischen Heizung und Licht-Dimmer.
Es ist nicht die Elektronik welche das Problem ist, sondern die richtigen Parameter um eben Stabilität nach Nyquist zu erreichen.

Zitat:

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Original geschrieben von Dino
Welche qualitativen und quantitativen Unterschiede gibt es zwischen Deinem funktionierenden System und diesem Modellhubschrauber-System?

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Ein Helikopterkreisel erlaubt Dir nicht gezielt die richtigen Parameter einzugeben. Ein Stellrädchen zum Trimmen ist nicht das was Du brauchst. Du musst PID Parameter eingeben können.
Und vor allem hast Du diese Parameter eben ohne Rechnung gar nicht, das heisst Du bist 100% sicher ausserhalb der Stabilitätsgrenzen des Regelsystemes.

Sprich. Die Software ist das Problem, weniger die Hardware.

Gruss

Jürg

Geändert von Juerg am 13. Juni 2008 um 19:43

Echt stark! Vielen Dank für die ausführliche Erklärung, Reinhard und Jürg!
Ich bin ehrlich beeindruckt, welche Mühe Ihr Euch mit der verständlichen Erläuterung der Problematik gegeben habt - Super!

Gruß

Dino

Hallo Reinhard, das Buch "Modellraketen aus automatisierungstechnischer Sicht" von Christoph Truöl hört etwa da auf, wo das Thema anfängt interessant zu werden.

Auch von mir vielen Dank für die sorgfältigen Erklärungen (auch an Jürg).

Viele Grüße, Gert.

Geändert von Brzelinski am 14. Juni 2008 um 10:50

Dino, die Schubvektorsteuerung eines Modelljets erfordert aber immer noch das Eingreifen eines Menschen. ( Zum Glück ) .

Und da sehe ich auch eine rechtliche Grenze. Und auch das ist gut so.

Geändert von Brzelinski am 14. Juni 2008 um 11:25

Hi Gert,

Zitat:

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die Schubvektorsteuerung eines Modelljets erfordert aber immer noch das Eingreifen eines Menschen

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ist mir bewusst, - ich dachte dabei nur an die Servomechanik - DIE zumindest scheint schnell genug zu sein, - wenn`s der Pilot (ob organisch oder elektronisch) auch ist

Beachtet dabei den entscheidenden Unterschied zwischen Steuerung und Stabilisierung.
Die Schubvektorsteuerung an einem Modelljet wirkt wie aerodynamische Ruder auf ein eigentlich flugstabiles System ein, das Risiko damit Instabilität zu induzieren ist begrenzt.
Man kann es bei proportionaler Ansteuerung wie gesagt auch von Hand steuern, es verhält sich gleich wie ein Ruder. Lässt man (den Steuerknüppel) los, fliegt alles stabil gerade (richtige Einstellung natürlich vorausgesetzt)

Die Stabilisierung einer instabilen Rakete hingegen ist ein ungleich schnelleres und heikleres Regelsystem.
Loslassen (nicht mehr regeln) führt hier genauso wenig zu einem guten Resultat wie falsch bemessene und/oder im falschen Augenblick gegebene Regelausschläge.

Das sind zwei ganz unterschiedliche Themen.

Eine "Steuerung" (Drall aufheben oder die Flugbahn mit Hilfe von kleinen Hilfsklappen sanft korrigieren, das lässt sich mit einem Helikopterkreisel wohl schon einigermassen hinkriegen, mehr nicht.
Ich unterstreiche das Wort "kleine", weil man über grosse Ruder durch falsch bemessene Ruderausschläge selbst eine eigentlich aerodynamisch stabile Rakete instabil machen kann (Aufschaukeln).

Gruss

Jürg

Geändert von Juerg am 17. Juni 2008 um 11:05