institut für mechanik und mechatronik abteilung für regelungstechnik und prozessautomatisierung...
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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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Schwere Metros
Inhalt
Motivation
Prüfstand
Identifikation
Reglerentwurf
Zusammenf. &
Ausblick
• Motivation
• Schwere Metrofahrzeuge
• Prüfstandsmodell
• Modellidentifikation
• Reglerentwurf
• Zusammenfassung & Ausblick
Inhalt
Inhalt
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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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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
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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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Schwere Metros
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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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Schwere Metros
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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
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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
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Motivation
Prüfstand
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Reglerentwurf
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Prüfstandsaufbau
Prüfstand
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Schwere Metros
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Motivation
Prüfstand
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Reglerentwurf
Zusammenf. &
Ausblick
Prüfstand und Mess-/Regelsystem
MessgrößenAnregung Signalaufbereitung
Prüfstand
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Schwere Metros
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Reglerentwurf
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Ausblick
• Ein- und Ausgangsgrößen
• Systemstruktur
Modellidentifikation
3 Eingänge, 8 Ausgänge
Identifikation
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Schwere Metros
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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
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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. &
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Strukturierter Singularwert
Systemstrukturen
Strukturierter Singularwert
Robuste Performance D-K-Iteration
Reglerentwurf
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Schwere Metros
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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
22.02.2007Forschungskooperationen STS - TU Wien 17Institut für Mechanik und MechatronikAbteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung
Schwere Metros
Inhalt
Motivation
Prüfstand
Identifikation
Reglerentwurf
Zusammenf. &
Ausblick
Regelergebnisse
Beschleunigung ,,vorne-links“ Zeitbereich
Beschleunigung ,,vorne-links“ Leistungsdichtespektrum
Reglerentwurf
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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