Nichtlineare Regelung komplexer dynamischer Systeme

Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Wolfgang Kemmetmüller
Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Andreas Kugi

In den letzten Jahren sind ständig steigende Anforderungen an die Dynamik und die energetische Effizienz sowie eine zunehmende Miniaturisierung von Sensor- und Antriebssystemen zu beobachten. Diese Anforderungen können mit klassischen Entwurfsmethoden und Regelungsstrategien vielfach nicht mehr erreicht werden. Daher beschäftigt sich die Gruppe für nichtlineare Regelung komplexer dynamischer Systeme mit dem Einsatz und der Entwicklung neuer innovativer System- und Reglerentwurfsmethoden für mikro-elektromechanische Sensoren (MEMS) und elektromagnetische bzw. elektrohydraulische Aktoren.
Hierbei werden basierend auf einer exakten physikalisch-basierten Modellierung des Systems nicht nur geeignete nichtlineare Regelungsstrategien für die Systeme entwickelt, sondern im Sinne eines mechatronischen Entwurfs auch Fragen bezüglich der geeigneten konstruktiven Auslegung der Systeme sowie der Platzierung von Sensoren bzw. Aktoren untersucht. Weiterhin stellt die Einsparung von Sensoren durch eine geeignete Konstruktion des Systems unter Nutzung von Querempfindlichkeiten und durch moderne Beobachterverfahren einen Schwerpunkt der Forschung in dieser Gruppe dar.

Forschungsschwerpunkte

• Modellbasierter mechatronischer Systementwurf mit dem Ziel einer Erhöhung der Dynamik bzw. Genauigkeit und einer Verbesserung der Ressourcen- und Energieeffizienz
• Entwurf von Regelungsstrategien, die die nichtlinearen Eigenschaften von Sensor- und Antriebssystemen systematisch berücksichtigen
• Modellierung und Regelung von Resonanzstrukturen
• Entwurf von sensorlosen Antriebssystemen durch geeignete Beobachterstrategien und Optimierung der Konstruktion der Antriebssysteme
• Einsatz von intelligenten Materialien in mechatronischen Antriebssystemen

Anwendungen

• Elektrohydraulische Antriebssysteme

Elektrohydraulische Antriebssysteme sind in der Lage, sehr hohe Kräfte bzw. Momente bei gleichzeitig sehr hohen Verfahrgeschwindigkeiten und geringem Bauraum zu erzielen. Elektrohydraulische Systeme weisen jedoch ein inhärent nichtlineares Verhalten auf und besitzen meist nur eine sehr geringe energetische Effizienz. Im Rahmen dieses Themengebiets werden moderne nichtlineare Reglerentwurfsverfahren zur hochdynamischen Regelung von elektrohydraulischen Antriebssystemen entwickelt. Weiterhin werden konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung der energetischen Effizienz untersucht.

Beispiel: Regelung einer eigenversorgten, verstellbaren Axialkolbenpumpe in Schrägscheibenbauweise:





In diesem Projekt wurde ein nichtlineares Regelungskonzept zur Volumenstrom- und Lastdruckregelung entwickelt, welches unabhängig von der als unbekannt angenommenen (schnell veränderlichen) Last ein gewünschtes dynamisches Verhalten aufweist. Dazu wurde das Regelungskonzept um einen nichtlinearen Lastschätzer erweitert. Einsatz findet diese Regelungsstrategie z.B. in Spritzgussmaschinen, bei denen eine Matrize mit Hilfe eines Hydraulikzylinders zugefahren wird. Ist die Matrize voll zugefahren, so ändert sich schlagartig die Last, was eine besondere Herausforderung für die Regelungsstrategie darstellt.



Beispiel: Impedanzregelung elektrohydraulischer Systeme:
Klassischerweise werden elektrohydraulische Aktoren entweder kraft- oder positionsgeregelt betrieben. In vielen Anwendungen soll jedoch der dynamische Zusammenhang zwischen Kraft und Position so geregelt werden, dass sich der geschlossene Kreis wie ein gewünschtes (mechatronisches) Impedanzsystem verhält. Diese aus der Robotik bekannte Aufgabenstellung wurde auf elektrohydraulische Systeme übertragen, wobei hier die nichtlinearen Eigenschaften der Hydraulik eine besondere Herausforderung für den Reglerentwurf darstellen. Weiterhin wurden konstruktive Maßnahmen zur Erhöhung der energetischen Effizienz von elektrohydraulischen Impedanzsystemen vorgeschlagen. Mögliche Einsatzgebiete sind aktive Radaufhängungen, Bau- und Arbeitsmaschinen (z.B. Bagger usw.) sowie elektrohydraulisch aktuierte Roboter.



Beispiel: Closed-Center elektrohydraulische Servolenkung [Kemmetmüller et al., IEEE/ASME Mechatronics, 12(1), S. 85-97, 2007]:



Die steigenden Anforderungen an Fahrkomfort und Fahrdynamik in den letzten Jahren erfordern die Entwicklung neuer Servolenksysteme. In diesem Projekt wurde im Rahmen eines Industrieprojekts ein Closed-Center elektrohydraulisches Servolenksystem entwickelt, welches die Vorteile einer klassischen hydraulischen Servolenkung hinsichtlich Energieversorgung und Lenkgefühl und jene einer elektromechanischen Servolenkung hinsichtlich energetischer Effizienz verbinden sollte. Dabei wurde gezeigt, dass ein gewünschtes Lenkgefühl sehr einfach mit Hilfe einer Impedanzregelung erzielt werden kann. Die Regelungsstrategie wurde an einem Lenkprüfstand getestet und in einem Testfahrzeug implementiert.

• Modellierung und Regelung von mikro-elektromechanischen Sensoren

MEMS Drehratensensoren werden in der Automobilindustrie für Fahrdynamikregelungen sowie in der Konsumgüterindustrie in Digitalkameras (Bildstabilisierung), in Navigationssystemen oder in interaktiven Spielekonsolen in hohen Stückzahlen eingesetzt. Die Anforderungen an die Drehratensensoren (geringe Herstellkosten, hohe Genauigkeit und Robustheit) sind im Speziellen für den Einsatz im Automobilbereich extrem hoch, sodass sich daraus eine Reihe von regelungstechnischen Aufgabenstellungen ableiten.
Im Rahmen der Forschung werden analytische mathematische Modelle für Drehratensensoren mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien (z.B. kapazitive oder piezoelektrische Sensoren) entwickelt. Bei den verwendeten mikromechanischen Strukturen handelt es sich typischer Weise um harmonisch angeregte Resonanzstrukturen mit schwacher Dämpfung. Ein Schwerpunkt der aktuellen Arbeiten liegt daher in der Entwicklung von Modellen, welche ausschließlich die für den Reglerentwurf relevante Dynamik der Resonanzstrukturen abbilden. Diese Modelle bilden die Basis für die Entwicklung von linearen und nichtlinearen Regelungen, welche beispielsweise für die Arbeitspunktstabilisierung der anregenden Oszillation benötigt werden. Darüber hinaus können die Modelle mit einem entsprechend angepassten Detaillierungsgrad im Rahmen der Sensorsynthese sowohl für transiente als auch stationäre Simulationen sehr effizient eingesetzt werden.

Förderprojekt: Eurimus-Projekt EM 103 "RESTLES - Reliable systems level integration of stacked chips on MEMS"

• Elektrorheologische Aktoren

In diesem Forschungsgebiet wird die Modellierung, die Regelung und Anwendung von elektrorheologischen Flüssigkeiten in Aktoren untersucht. Eine elektrorheologische Flüssigkeit besitzt die Eigenschaft, dass sich die effektive Viskosität bei Anlegen eines elektrischen Feldes maßgeblich und sehr schnell ändert. Dieser Effekt basiert auf der Ausbildung von Ketten der in einer Basisflüssigkeit verteilten Polyurethanpartikel.

Beispiel: Semi-aktive Radaufhängung für ein schweres Geländefahrzeug:



Dieses Projekt beschäftigte sich mit der Entwicklung und dem Test einer semi-aktiven Radaufhängung basierend auf elektrorheologischen Dämpfern für ein schweres Geländefahrzeug. Die besonderen Eigenschaften von elektrorheolgischen Dämpfern erfordern dabei die Entwicklung neuer Regelungsstrategien zur Ansteuerung der Dämpfer. Zur Einstellung des Fahrkomforts und der Fahrstabilität wurde eine hybride Sky- und Groundhookstrategie verwendet. Die Regelungsstrategie wurde in einem schweren Geländefahrzeug implementiert und im Fahrversuch erprobt. Das Projekt wurde in Kooperation mit der Firma FLUDICON und der WTD41 der deutschen Bundeswehr durchgeführt (Presse).

• Sensorlose Regelung von elektromechanischen Antrieben

Der Einsatz von Sensoren ist in manchen Anwendungen unerwünscht, da diese zusätzliche Kosten für das System bedeuten und ausfallen können. Daher werden in den letzten Jahren verstärkt sensorlose Regelungskonzepte erforscht, bei denen der Sensor durch einen virtuellen Sensor basierend auf geeigneten Beobachterstrategien, teilweise unter gezielter Ausnutzung von Querempfindlichkeiten, ersetzt wird. In diesem Forschungsschwerpunkt werden neue sensorlose Regelungs- und Beobachterkonzepte für elektromechanische Antriebssysteme entwickelt. Dabei werden zusätzlich zum klassischen Regler- und Beobachterentwurf auch Fragen bezüglich einer geeigneten Konstruktion zur Verbesserung der Beobachtbarkeit von nicht messbaren Zuständen untersucht.

Beispiel: Sensorlose Regelung eines Traktionsantriebes:



In dieser Arbeit wurde ein neuer Drehzahlbeobachter für ein industriell eingesetztes Antriebssystem so entworfen, dass ein Betrieb der verwendeten Asynchronmaschinen ohne Drehgeber ermöglicht wird. Aufgrund der Forderung keine negativen Beeinträchtigungen durch zusätzliche Signaleinspeisungen hervorzurufen, wurde eine beobachterbasierte Methode gewählt. Die dafür notwendige Rotorflussschätzung verursacht bei vielen Modellen Probleme, da sie meist auf der Integration der Statorspannungsgleichung beruht. Durch das entwickelte adaptive Beobachterkonzept werden diese Störungen vermieden und ein praktischer Einsatz ermöglicht. Eine experimentelle Überprüfung des Systems erfolgte durch Messungen an verschiedenen Antrieben aus dem Straßen- und Schnellbahnbereich.