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