41. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard

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1 41. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard
Februar 2007 Ein Konzept zur aktiven Schwingungsdämpfung von Schienenfahrzeug-Wagenkästen Christian Benatzky 22. Februar 2007 Angabe Name und Position (Institut für Mechanik und Mechatronik – Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung) Institut für Mechanik und Mechatronik E325 Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (A5) Forschungskooperationen STS - TU Wien

2 Forschungskooperationen STS - TU Wien
Inhalt Inhalt Motivation Schwere Metrofahrzeuge Prüfstandsmodell Modellidentifikation Reglerentwurf Zusammenfassung & Ausblick 3 4 7 11 13 18 Forschungskooperationen STS - TU Wien

3 Motivation - Aktive Schwingungsdämpfung
Zweck eines aktiven Schwingungsdämpfungskonzeptes für Metrofahrzeuge Erhöhung Fahrkomfort Reduktion der auftretenden Beschleunigungen (Gewichtung nach ISO2631) Gewichtsersparnis Achslasten Antriebsenergie Kostenersparnis Einfachere mechanische Struktur Material Fertigungszeiten (vor allem für schwere Metros) Forschungskooperationen STS - TU Wien

4 Schwere Metrofahrzeuge: Eigenschaften
Die ersten Eigenfrequenzen liegen i.A. im Bereich von 8-10Hz Extrem dicht liegende Eigenfrequenzen Nur geringer Abstand zum Spektrum der Anregung Charakteristischer S-Schlag im Türbereich Wesentliche Eigenformen Schwere Metros Energieinhalt der Sekundärfederkräfte Systemantwort (vereinfacht) 1. Vertikale Biegeeigenform Dachquerverziehung 1. Torsionseigenform Forschungskooperationen STS - TU Wien

5 Schwere Metrofahrzeuge: Komfortbewertung
Fahrkomfort (im Allgemeinen verwendetes Kriterium) Schwere Metros UIC 513 / ISO 2361 aISO: Frequenz-gewichtete Beschleunigung aISO,rms: Gewichteter RMS-Wert Forschungskooperationen STS - TU Wien

6 Aktive Schwingungsdämpfung: prinzipielles Konzept
Schema Aktor-Prinzip: Messen Schwere Metros Regler Verstärker Stellen Struktur F(t) F(t) (Piezo-) Aktor Konsole U(t) Forschungskooperationen STS - TU Wien

7 Labormodell - Motivation
Anforderungen Möglichst dicht liegende Eigenfrequenzen Möglichst niedrige Eigenfrequenzen Verwendung standardisierter messtechnischer und aktorischer Komponenten FE-Analyse zur Modellauslegung Länge: 2,5m Breite/Höhe: 0,25m Material: Aluminium Eigenformen gemäß FE-Analyse Prüfstand Forschungskooperationen STS - TU Wien

8 Experimentelle Modalanalyse: Ergebnisse
TORSIONSEIGENMODE Prüfstand BIEGEEIGENMODE Stark unterschiedliche Eigenfrequenzen (FE-Analyse: 67Hz)  MODELL- IDENTIFIKATION Forschungskooperationen STS - TU Wien

9 Forschungskooperationen STS - TU Wien
Prüfstandsaufbau Prüfstand Forschungskooperationen STS - TU Wien

10 Prüfstand und Mess-/Regelsystem
Anregung Messgrößen Signalaufbereitung Prüfstand Forschungskooperationen STS - TU Wien

11 Modellidentifikation
Ein- und Ausgangsgrößen Systemstruktur Identifikation 3 Eingänge, 8 Ausgänge Forschungskooperationen STS - TU Wien

12 Identifikationsergebnisse
Identifikation eines Zustandsraummodells mit dem Matlab-,,n4sid“-Algorithmus Stör-Performance-ÜF Stell-Messgrößen-ÜF Biegung Torsion Identifikation ÜF-Schätzung Ordnung 200 Ordnung 6 Forschungskooperationen STS - TU Wien

13 Robuste Regelung von unsicheren Systemen
NOMINALES SYSTEM (enthält alle Gewichte) UNSICHERHEIT (additiv, multiplikativ, parametrisch) EINGÄNGE AUSGÄNGE Unsicherheiten Unsicherheiten Reglerentwurf Störungen Performancegrößen Stellgrößen Messgrößen REGLER Standard P-K--Struktur Forschungskooperationen STS - TU Wien

14 Strukturierter Singularwert 
Systemstrukturen Reglerentwurf Strukturierter Singularwert  Robuste Performance D-K-Iteration Forschungskooperationen STS - TU Wien

15 -Synthese/H-Entwurf
Blockschaltbild des Metromodells Entwurfsmodell der flexiblen Struktur (reduziertes Modell Leistungsdichtespektren von EINGANGSSTÖRUNGEN PERFORMANCEGRÖSSEN (Beschl., Stellgrößen...) Reglerentwurf UNSICHERHEITEN (Aktorenmultiplikativ vernachlässigte Dynamikadditiv) Forschungskooperationen STS - TU Wien

16 Additive Unsicherheit und Reglerauslegung
Übertragungsfunktion von Aktor zu Sensor additives Unsicherheitsgewicht Zu erwartender Performancegewinn durch Regelung Biegung Torsion Reglerentwurf Forschungskooperationen STS - TU Wien

17 Regelergebnisse Beschleunigung ,,vorne-links“ Zeitbereich
Beschleunigung ,,vorne-links“ Leistungsdichtespektrum Reglerentwurf Forschungskooperationen STS - TU Wien

18 Zusammenfassung & Ausblick
Experimentelle Erprobung eines aktiven Schwingungsdämpfungskonzeptes für (schwere) Metrofahrzeuge Robuster Reglerentwurf um den in der Realität vorhandenen Unsicherheiten gerecht zu werden Deutliche Schwingungsreduktion für das Labormodell erzielt Zukünftige Arbeiten Aufstellung eines Fehlerdiagnosekonzeptes für das vorgestellte Regelsystem Untersuchung des Hystereseverhaltens der Piezoaktoren Zusammenf. & Ausblick Forschungskooperationen STS - TU Wien