Beobachterentwurf für ein Schienenfahrzeug mit Einzelradfahrwerken
Alexander Keck
Das Spurführungskonzept von Schienenfahrzeugen ist seit über zwei Jahrhunderten prinzipiell unverändert. In der neueren Schienenfahrzeugforschung werden alternative Spurführungskonzepte untersucht, so auch im Next Generation Train (NGT) Projekt, welcher mit Einzelrad-Einzelfahrwerken (EEF) ausgestattet ist. Aufgrund der fehlenden Drehzahlkopplung der Räder entfallen jedoch passive Stabilitätseigenschaften in der Spurführung, sodass eine Regelung der Lateraldynamik erforderlich wird. Diese mechatronische Spurführung benötigt die laterale Position des Fahrwerks relativ zum Gleiskanal als wesentliche Sensorgröße. Aus diesem Grund ist es das Ziel dieser Arbeit, eine Zustandsschätzung für die laterale Position eines EEF im Spurkanal zu entwickeln. Für dieses Fahrwerk werden in der vorliegenden Arbeit zwei nichtlineare Systembeschreibungen hergeleitet. Diese werden mit jeweils drei Sensorkonfigurationen kombiniert, um Beobachterbeschreibungen zu formulieren. Die Beobachtbarkeit dieser Systeme wird analysiert, um die Gültigkeit der Beschreibungen zu überprüfen. Diese Modellbeschreibungen werden jeweils in drei nichtlinearen Beobachterkonzepten untersucht. Die in Summe 18 verschiedenen Beobachtervarianten werden in der Simulation mit Messdaten aus Prüfstandversuchen untersucht. Es zeigt sich, dass Genauigkeiten von weniger als 0,1mm erreicht werden können. Weiterhin wird der Einfluss von Störfaktoren, wie Messrauschen und Sensitivität auf veränderliche Parameter wie Spurspiel und Profilgeometrie untersucht. In diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass der Einsatz von Vorfiltern wichtig für eine genaue Schätzung ist. Weiterhin hat eine inkorrekte Parametrierung des Spurspiels im Beobachter nur einen geringen Einfluss auf die beobachtete Position. Im Vergleich dazu hat die Profilgeometrie einen größeren Einfluss. Aber selbst bei einer sehr groben Näherung des S1002-Profils als reiner Konus wächst der Schätzfehler lediglich um den Faktor 4 und bleibt im Mittel unter 5%.
