ISB Innovatives System Bahn Begleitmanahmen 2006 Aktive Schwingungsdmpfung

ISB – Innovatives System Bahn – Begleitmaßnahmen 2006 Aktive Schwingungsdämpfung durch Regelung elastischer Fahrzeugstrukturen Dr. Martin Kozek Technische Universität Wien – Institut für Mechanik und Mechatronik ISB – Vernetzungsworkshop 2007 1

Inhalt § Zweck und Definition eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems § Aktorprinzip § Regelsystem und Simulationsergebnisse § Experiment § Zusammenfassung ISB – Vernetzungsworkshop 2007 2

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) ISB – Vernetzungsworkshop 2007 3

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 ISB – Vernetzungsworkshop 2007 4

Mechatronisches Konzept § Regelsystem Messen (Signalrückführung) Regler Verstärker Stellen § Ziel: Beeinflussung der elastischen Schwingungen (Eigenmoden) durch die Regelung ISB – Vernetzungsworkshop 2007 5

Aktorprinzip mit Vorspannung Struktur Konsole F(t) (Piezo-) Aktor F(t) U(t) ISB – Vernetzungsworkshop 2007 6

Eigenschwingungsformen § Grundeigenformen von Metrofahrzeugen Biegung Dachquerverziehung Torsion § Zusätzlich: Moden höherer Ordnung und Eigenformen mit lokal konzentrierten Deformationen ISB – Vernetzungsworkshop 2007 7

Blockschaltbild des Regelsystems Entwurfsmodell der flexiblen Struktur (Simulationsmodell des Wagenkastens) EINGANGSSTÖRUNGEN (Leistungsdichtespektren von System- und Messrauschen) PERFORMANCEGRÖSSEN (Beschl. , Stellgrößen. . . ) UNSICHERHEITEN (Aktoren, vernachlässigte Dynamik) REGLER ISB – Vernetzungsworkshop 2007 8

Reglerauslegung und Ergebnisse Auslegung eines -Synthese-Reglers Additives Unsicherheitsgewicht (grün: große Unsicherheit ergibt schwachen Regler rot: kleine Unsicherheit ergibt starken Regler) Leistungsdichtespektrum der Vertikalbeschleunigung Deutliche Reduktion der Amplituden der ersten drei Moden! ISB – Vernetzungsworkshop 2007 9

Experiment - Modell § Aufgabenstellung – Wagenkastenmodell (Maßstab ca. 1: 10) – FE-Analyse zur Auslegung – Experimentelle Modalanalyse am Modell – Validierung des Regelungssystems am Prüfstand ISB – Vernetzungsworkshop 2007 10

Experiment - Prüfstand Messgrößen Signalaufbereitung Anregung ISB – Vernetzungsworkshop 2007 11

Experiment - Ergebnisse Leistungsdichtespektrum der Vertikalbeschleunigung § KPP, e – Zustandsraumregler ausgelegt durch Pole. Placement mit Kalmanfilter als Beobachter § KDK 2, e Biegung Torsion – Regler ausgelegt durch Synthese/D-K-Iteration (H Entwurf) ISB – Vernetzungsworkshop 2007 12

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 ISB – Vernetzungsworkshop 2007 13