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22.02.2007 Forschungskooperationen STS - TU Wien 1 Institut für Mechanik und Mechatronik Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung Schwere Metros Inhalt Motivation Prüfstand Identifikation Reglerentwurf Zusammenf. & Ausblick 41. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard 21.-23. Februar 2007 Christian Benatzky 22. Februar 2007 Institut für Mechanik und Mechatronik E325 Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (A5) Ein Konzept zur aktiven Schwingungsdämpfung von Schienenfahrzeug-Wagenkästen

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 1Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

41. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard21.-23. Februar 2007

Christian Benatzky22. Februar 2007

Institut für Mechanik und Mechatronik E325

Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung (A5)

Ein Konzept zur aktiven Schwingungsdämpfung von Schienenfahrzeug-

Wagenkästen

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 2Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

• Motivation

• Schwere Metrofahrzeuge

• Prüfstandsmodell

• Modellidentifikation

• Reglerentwurf

• Zusammenfassung & Ausblick

Inhalt

Inhalt

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 3Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

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)

Motivation

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 4Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

• 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 Metrofahrzeuge: Eigenschaften

Energieinhalt der Sekundärfederkräfte

Systemantwort (vereinfacht)

1. Vertikale Biegeeigenform Dachquerverziehung 1. Torsionseigenform

Schwere Metros

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

• Fahrkomfort (im Allgemeinen verwendetes Kriterium)

Schwere Metrofahrzeuge: Komfortbewertung

aISO,rms:

aISO: Frequenz-gewichtete BeschleunigungGewichteter RMS-Wert

UIC 513 / ISO 2361

Schwere Metros

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 6Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

• Schema

• Aktor-Prinzip:

Aktive Schwingungsdämpfung: prinzipielles Konzept

Messen

Regler

Stellen

Verstärker

Struktur

Konsole(Piezo-) Aktor

U(t)

F(t) F(t)

Schwere Metros

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 7Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

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

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Experimentelle Modalanalyse: Ergebnisse

BIEGEEIGENMODE

TORSIONSEIGENMODE

Stark unterschiedlicheEigenfrequenzen

(FE-Analyse: 67Hz)

MODELL-IDENTIFIKATION

Prüfstand

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Prüfstandsaufbau

Prüfstand

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Prüfstand und Mess-/Regelsystem

MessgrößenAnregung Signalaufbereitung

Prüfstand

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 11Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

• Ein- und Ausgangsgrößen

• Systemstruktur

Modellidentifikation

3 Eingänge, 8 Ausgänge

Identifikation

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 12Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

• Identifikation eines Zustandsraummodells mit dem Matlab-,,n4sid“-Algorithmus

Identifikationsergebnisse

Stör-Performance-ÜF Stell-Messgrößen-ÜF

ÜF-Schätzung Ordnung 200 Ordnung 6

Identifikation

Biegung Torsion

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Robuste Regelung von unsicheren Systemen

EINGÄNGE AUSGÄNGE

Unsicherheiten

Störungen

Stellgrößen

Unsicherheiten

Performancegrößen

Messgrößen

NOMINALES SYSTEM(enthält alle Gewichte)

UNSICHERHEIT(additiv, multiplikativ,

parametrisch)

REGLER

Standard P-K--Struktur

Reglerentwurf

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Strukturierter Singularwert

Systemstrukturen

Strukturierter Singularwert

Robuste Performance D-K-Iteration

Reglerentwurf

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 15Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

-Synthese/H-Entwurf

Leistungsdichtespektren von EINGANGSSTÖRUNGEN

UNSICHERHEITEN (Aktorenmultiplikativ

vernachlässigte Dynamikadditiv)

PERFORMANCEGRÖSSEN (Beschl., Stellgrößen...)

Entwurfsmodell der flexiblen Struktur (reduziertes Modell

Blockschaltbild des Metromodells

Reglerentwurf

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Additive Unsicherheit und Reglerauslegung

Zu erwartender Performancegewinn durch Regelung

Übertragungsfunktion von Aktor zu Sensor additives Unsicherheitsgewicht

Biegung Torsion

Reglerentwurf

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Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

Regelergebnisse

Beschleunigung ,,vorne-links“ Zeitbereich

Beschleunigung ,,vorne-links“ Leistungsdichtespektrum

Reglerentwurf

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22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 18Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung

Schwere Metros

Inhalt

Motivation

Prüfstand

Identifikation

Reglerentwurf

Zusammenf. &

Ausblick

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