41. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard 21.-23. 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 22.02.2007
Forschungskooperationen STS - TU Wien Inhalt Inhalt Motivation Schwere Metrofahrzeuge Prüfstandsmodell Modellidentifikation Reglerentwurf Zusammenfassung & Ausblick 3 4 7 11 13 18 Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
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 22.02.2007
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 22.02.2007
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 22.02.2007
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 22.02.2007
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 22.02.2007
Experimentelle Modalanalyse: Ergebnisse TORSIONSEIGENMODE Prüfstand BIEGEEIGENMODE Stark unterschiedliche Eigenfrequenzen (FE-Analyse: 67Hz) MODELL- IDENTIFIKATION Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
Forschungskooperationen STS - TU Wien Prüfstandsaufbau Prüfstand Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
Prüfstand und Mess-/Regelsystem Anregung Messgrößen Signalaufbereitung Prüfstand Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
Modellidentifikation Ein- und Ausgangsgrößen Systemstruktur Identifikation 3 Eingänge, 8 Ausgänge Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
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 22.02.2007
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 22.02.2007
Strukturierter Singularwert Systemstrukturen Reglerentwurf Strukturierter Singularwert Robuste Performance D-K-Iteration Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
-Synthese/H-Entwurf Blockschaltbild des Metromodells Entwurfsmodell der flexiblen Struktur (reduziertes Modell Leistungsdichtespektren von EINGANGSSTÖRUNGEN PERFORMANCEGRÖSSEN (Beschl., Stellgrößen...) Reglerentwurf UNSICHERHEITEN (Aktorenmultiplikativ vernachlässigte Dynamikadditiv) Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
Additive Unsicherheit und Reglerauslegung Übertragungsfunktion von Aktor zu Sensor additives Unsicherheitsgewicht Zu erwartender Performancegewinn durch Regelung Biegung Torsion Reglerentwurf Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
Regelergebnisse Beschleunigung ,,vorne-links“ Zeitbereich Beschleunigung ,,vorne-links“ Leistungsdichtespektrum Reglerentwurf Forschungskooperationen STS - TU Wien 22.02.2007
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 22.02.2007