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Modellierung und Regelung hydraulischer Antriebssysteme

Projektschwerpunkte

  • Mathematische Modellierung von hydraulischen Systemen, insbesondere Axialkolbenmaschinen
  • Adaptive, nichtlineare Regelung von Axialkolbenmaschinen
  • Optimale, modell-prädiktive Regelungsstrategien für Axialkolbenmaschinen
  • Anwendung für einen hydraulischen Hybridantrieb

Beschreibung

Hydraulische Antriebe weisen eine große Verbreitung in vielen industriellen Anwendungen auf. Dies liegt an der hohen Leistungsdichte bei geringem Bauraum und Gewicht. Die Regelung von hydraulischen Antrieben erfolgt dabei meist mit Hilfe von Ventilen, womit eine sehr hohe Dynamik erreichbar ist. Der wesentliche Nachteil bei einer Ventilsteuerung besteht jedoch in den relativ großen energetischen Verlusten.

Um die energetische Effizienz zu erhöhen werden in diesem Forschungsprojekt verstellbare Pumpen bzw. Motoren betrachtet. Insbesondere werden Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise betrachtet, die eine kontinuierliche und relativ schnelle Veränderung des geförderten Volumenstroms durch Verdrehung der Schwenkscheibe (swash-plate) erlauben, siehe Abb. 1. In dieser Forschungskooperation mit der Firma Robert Bosch GmbH werden optimale Regelungsstrategien für den Schwenkwinkel entwickelt, die die Basis für eine Regelung des Volumenstroms, des Drucks und des mechanischen Moments der Maschine bilden.

Prinzipbild einer Axialkolbenmaschine in Schrägscheibenbauweise

Die Herausforderung bei der Entwicklung einer Regelungsstrategie sind dabei die ausgeprägten Nichtlinearitäten und die Beschränkungen des Systems, sowie schnell veränderliche externe Lasten. Für Anwendungen mit schnell veränderlichen Lasten wurde eine nichtlineare adaptive Regelungsstrategie mit zugehöriger Schätzung der Last entwickelt. Um eine systematische Berücksichtigung der Nichtlinearitäten und Beschränkungen des Systems zu ermöglichen, werden nichtlineare, modellprädiktive Regelungsstrategien entwickelt. Die dazu notwendigen internen, nicht messbaren Zustände des Systems werden durch geeignete nichtlineare Beobachterkonzepte ermittelt. Es konnte in diesem Forschungsprojekt bereits gezeigt werden, dass eine echtzeitfähige Implementierung eines solchen Regelungskonzeptes auf einer industriellen Echtzeithardware mit einer Abtastzeit von 1 ms möglich ist.

Prüfstand zum Test der adaptiven nichtlinearen Regelungsstrategie

Basierend auf der optimalen Schwenkwinkelregelung werden erweiterte Regelungsstrategien z.B. für die Regelung der Drehzahl der Axialkolbenmaschine entwickelt. Eine mögliche Anwendung, die im Rahmen des gemeinsamen Forschungsprojektes mit der Firma Robert Bosch GmbH betrachtet wurde, ist ein hydraulisches Hybridsystem, siehe Abb. 3. Dieses System besteht im Wesentlichen aus einem Verbrennungskraftmotor (ICE), sowie einem hydraulischen Antriebsstrang, der zwei Axialkolbenmaschinen (APU) aufweist. Um die beim Bremsen des Fahrzeugs anfallende Energie zu speichern, wird Öl in einen Kolbenspeicher gefördert. Für dieses System wurden im Rahmen der Forschungsarbeiten mathematische Modelle des Systems entwickelt und Schätzstrategien für den Ladezustand des Kolbenspeichers erforscht. Weiterhin wurde für gewisse Betriebsfälle eine optimale (modell-prädiktive) Regelungsstrategie entwickelt, die ein bestmögliches Folgen des Fahrerwunsches bei gleichzeitiger Minimierung der Verluste des Systems ermöglicht.

Prinzipbild eines hydraulische Hybridantriebs (c) Robert Bosch GmbH

Ausgewählte Publikationen

  • P. Zeman, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Nonlinear Model Predictive Control of Axial Piston Pumps, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 139, iss. 8, p. 081008-1–081008-11, 2017.
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Journal = {Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control},
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Volume = {139},
Year = {2017},
Number = {8},
Doi = {10.1115/1.4035608},
ISSN = {0022-0434},
}
  • P. Zeman, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Energy-efficient Constrained Control of a Hydrostatic Power Split Drive, in Proceedings of the 20th IFAC World Congress, Toulouse, France, 2017, p. 4775–4780.
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title = {Energy-efficient Constrained Control of a Hydrostatic Power Split Drive},
booktitle = {Proceedings of the 20th IFAC World Congress},
year = {2017},
volume = {50},
number = {1},
month = {7},
pages = {4775--4780},
doi = {10.1016/j.ifacol.2017.08.959},
address = {Toulouse, France},
issn = {2405-8963},
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  • A. Pfeffer, T. Glück, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Mathematical modelling of a hydraulic accumulator for hydraulic hybrid drives, Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems, vol. 22, iss. 5, p. 397–411, 2016.
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Title = {Mathematical modelling of a hydraulic accumulator for hydraulic hybrid drives},
Author = {Pfeffer, A. and Gl\"uck, T. and Kemmetm\"uller, Wolfgang and Kugi, Andreas},
Journal = {Mathematical and Computer Modelling of Dynamical Systems},
Pages = {397--411},
Volume = {22},
Year = {2016},
Number = {5},
Doi = {10.1080/13873954.2016.1174716},
ISSN = {1387-3954},
}
  • P. Zeman, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Model Predictive Speed Control of Axial Piston Motors, in Proceedings of the 10th IFAC Symposium on Nonlinear Control Systems (NOLCOS 2016), Monterey, USA, 2016, p. 772–777.
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author = {Zeman, P. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
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year = {2016},
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month = {8},
pages = {772--777},
doi = {10.1016/j.ifacol.2016.10.259},
address = {Monterey, USA},
issn = {2405-8963},
}
  • A. Pfeffer, T. Glück, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, State of Charge Estimator Design for a Hydro-Pneumatic Accumulator, Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, vol. 137, iss. 6, p. 061014:1–061014:9, 2015.
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Title = {State of Charge Estimator Design for a Hydro-Pneumatic Accumulator},
Author = {Pfeffer, A. and Gl\"uck, T. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
Journal = {Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control},
Pages = {061014:1--061014:9},
Volume = {137},
Year = {2015},
Number = {6},
Doi = {10.1115/1.4029407},
}
  • P. Zeman, W. Kemmetmüller, and A. Kugi, Mathematical Modeling and Analysis of a Hydrostatic Drive Train, in Proceedings of the 8th Vienna International Conference on Mathematical Modelling (MATHMOD), Vienna, Austria, 2015, p. 508–513.
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author = {Zeman, P. and Kemmetm\"uller, W. and Kugi, A.},
title = {Mathematical Modeling and Analysis of a Hydrostatic Drive Train},
booktitle = {Proceedings of the 8th Vienna International Conference on Mathematical Modelling (MATHMOD)},
year = {2015},
month = {2},
pages = {508--513},
doi = {10.1016/j.ifacol.2015.05.064},
address = {Vienna, Austria},
}
  • W. Kemmetmüller, F. Fuchshumer, and A. Kugi, Nonlinear pressure control of self-supplied variable displacement axial piston pumps, Control Engineering Practice, vol. 18, p. 84–93, 2010.
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Title = {Nonlinear pressure control of self-supplied variable displacement axial piston pumps},
Author = {W. Kemmetm{\"u}ller and F. Fuchshumer and A. Kugi},
Journal = {Control Engineering Practice},
Pages = {84--93},
Volume = {18},
Year = {2010},
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Projektpartner

Ansprechpartner

Associate Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kemmetmüller
Univ.-Prof. Dr.techn. Andreas Kugi

Status

laufend