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1ISB – Vernetzungsworkshop 2007
ISB – Innovatives System Bahn – Begleitmaßnahmen 2006
Dr. Martin KozekTechnische Universität Wien – Institut für Mechanik und Mechatronik
Aktive Schwingungsdämpfung durch Regelung elastischer Fahrzeugstrukturen
2ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Inhalt
Zweck und Definition eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems
Aktorprinzip
Regelsystem und Simulationsergebnisse
Experiment
Zusammenfassung
3ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Zweck einer aktiven Schwingungsdämpfung für Schienenfahrzeuge
Erhöhung Fahrkomfort • Reduktion der Schwingungen des Wagenkastens und damit der auf
den Fahrgast wirkenden Beschleunigungen
Gewichtsersparnis und Energieeffizienz• Reduktion der Achslasten durch Leichtbau
• Reduktion der Antriebsenergie
Kostenersparnis (in der Fertigung und im Betrieb)• Material
• Fertigungszeiten
• Antriebsenergie
• Jedoch: Systemkosten der Regelung Gesamtoptimierung notwendig (Mechatronik)
4ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Definition des aktiven Dämpfungssystems
Erfassen von Schwingungsausschlägen durch Sensoren (Messsignale)
Berechnen von Stellsignalen aus den Messsignalen durch einen Regler
Ansteuerung der Aktoren mit den Stellsignalen zur Reduktion der gemessenen Schwingungsausschläge
5ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Regelsystem
Ziel: Beeinflussung der elastischen Schwingungen (Eigenmoden) durch die Regelung
Mechatronisches Konzept
Messen (Signalrückführung)
Regler
Stellen
Verstärker
6ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Aktorprinzip mit Vorspannung
Struktur
Konsole (Piezo-) Aktor F(t)
U(t)
F(t)
7ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Grundeigenformen von Metrofahrzeugen
Zusätzlich: Moden höherer Ordnung und Eigenformen mit lokal konzentrierten Deformationen
Eigenschwingungsformen
Biegung Dachquerverziehung Torsion
8ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Blockschaltbild des RegelsystemsEntwurfsmodell der flexiblen Struktur
(Simulationsmodell des Wagenkastens)
EINGANGSSTÖRUNGEN (Leistungsdichtespektren
von System- und Messrauschen)
UNSICHERHEITEN (Aktoren, vernachlässigte Dynamik)
PERFORMANCEGRÖSSEN (Beschl., Stellgrößen...)
REGLER
9ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Reglerauslegung und ErgebnisseAuslegung eines-Synthese-Reglers Leistungsdichtespektrum der
Vertikalbeschleunigung
Additives Unsicherheitsgewicht(grün: große Unsicherheit ergibt schwachen Regler
rot: kleine Unsicherheit ergibt starken Regler)
Deutliche Reduktion der Amplituden der ersten drei Moden!
10ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Experiment - Modell
Aufgabenstellung– Wagenkastenmodell
(Maßstab ca. 1:10)
– FE-Analyse zur Auslegung
– Experimentelle Modalanalyse am Modell
– Validierung des Regelungssystems am Prüfstand
11ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Experiment - Prüfstand
Messgrößen
Anregung
Signalaufbereitung
12ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Experiment - ErgebnisseLeistungsdichtespektrum der
Vertikalbeschleunigung
Biegung Torsion
KPP,e
– Zustandsraumregler ausgelegt durch Pole-Placement mit Kalmanfilter als Beobachter
KDK2,e
– Regler ausgelegt durch -Synthese/D-K-Iteration (H-Entwurf)
13ISB – Vernetzungsworkshop 2007
Zusammenfassung
Durch das gezeigte aktive Schwingungsdämpfungssystem lassen sich Strukturschwingungen von Schienenfahrzeugen reduzieren
Mit Hilfe des vorgestellten Regelungssystems sind mechanisch einfachere Wagenkasten-Rohbauten möglich
Das vorgestellte Konzept, das sowohl theoretisch als auch am Modell experimentell untersucht wurde ist auch für andere Wagenkästen anwendbar