Modellierung, Regelung und Trajektoriengenerierung für ein flexibles Mehrkörpersystem am Beispiel einer Feuerwehrdrehleiter

Modellierung, Regelung und Trajektoriengenerierung für ein flexibles Mehrkörpersystem am Beispiel einer Feuerwehrdrehleiter von Densborn,  Simon
Es wird ein Verfahren zur Modellierung der Leiterdynamik einer Feuerwehrdrehleiter als flexibles Mehrkörpersystem (FMKS) nach der Lagrange Gleichung zweiter Art vorgestellt. Dieses Verfahren ermöglicht die Modellierung nach Lagrange Gleichung auch für eine hohe Anzahl an flexiblen Elementen effizient durchzuführen. Die Modellierung nach dem Lagrange Formalismus bietet den Vorteil, dass linearisierte Systemmatrizen für jeden gewünschten Arbeitspunkt in geschlossener Form berechenbar sind. Die Diskretisierung der Flexibilität erfolgt nach Ritz. Als Ansatzfunktionen der Ritz-Diskretisierung werden die Eigenformen von Euler-Bernoulli Balken sowie Torsionsstäben genutzt. Dazu werden für Euler-Bernoulli Balken mit innerem Momentenlager die Eigenformen und charakteristischen Gleichungen analytisch hergeleitet. Zudem werden drei Assistenzsysteme für Feuerwehrdrehleitern vorgestellt. Es wird ein Modul zur Trajektoriengenerierung abgeleitet, welches abgespeicherte Trajektorien glättet und anschließend zeitoptimiert abfährt. Ein weiteres Verfahren fährt beliebige Zielpunkte im Arbeitsraum zeitoptimiert an. Zur Umsetzung dieser Trajektorien wird ein Verfahren zur Trajektorienfolgeregelung entwickelt, welches die begrenzte Hydraulikölförderleistung der Aktorik berücksichtigt. Während des Betriebs einer Feuerwehrdrehleiter treten strukturdynamische Schwingungen im Leitersatz auf. Um die Auswirkungen auf die Positioniergenauigkeit zu reduzieren und dadurch die Einsatzgeschwindigkeit zu erhöhen, wird ein bereits bekanntes Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung auf Drehleitern mit fünf Freiheitsgraden erweitert. Der analytische Entwurf eines Luenberger-Beobachters auf Basis der Struktur des Systemmodells ermöglicht dabei eine allgemein gültige Beobachterparametrierung.
Aktualisiert: 2023-03-02
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Modellierung und aktive Schwingungsdämpfung eines Kommissionierstaplers

Modellierung und aktive Schwingungsdämpfung eines Kommissionierstaplers von Wagenpfeil,  Daniela
In der Arbeit werden Konzepte zur Modellierung und aktiven Schwingungsdämpfung für einen Kommissionierstapler untersucht. Ziel des Vorgehens ist es zunächst die Mastschwingungen, die bei Querschubbewegungen auftreten, abzubilden. Dazu kommen neben dem Virtual Engineering basierend auf einem CAD Modell und einer verteiltparametrischen Modellierung auch ein experimenteller Ansatz zur Identifikation eines linearen Ersatzmodells zum Einsatz. Die Bewertung der Ergebnisse der Modellierung erfolgt anhand von Simulationen und -wo möglich- von realen Messergebnissen. Anschließend werden bekannte Methoden angewendet, um eine definierte Schubposition mit der Gabel zu erreichen und dabei sowohl die Anregung der Schwingungen zu verhindern als auch extern angeregte Schwingungen zu dämpfen. Die Teilergebnisse werden zunächst anhand von Simulationen und anschließend an einem realen Kommissionierstapler experimentell untersucht. Es zeigt sich, dass das entworfene Konzept ein schnelles und schwingungsarmes Arbeiten an dem betrachteten Stapler ermöglicht und leicht auf weitere Bauvarianten übertragen werden kann.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Methoden zur aktiven Schwingungsdämpfung für Feuerwehrdrehleitern mit Gelenkarm

Methoden zur aktiven Schwingungsdämpfung für Feuerwehrdrehleitern mit Gelenkarm von Pertsch,  Alexander
Moderne Feuerwehrdrehleitern mit Leiterlängen von mehr als 30 Metern, und insbesondere Modelle mit einem Gelenkarm an der Leiterspitze, sind anfällig für niederfrequente Schwingungen des Leitersatzes, die eine genaue und zügige Positionierung erschweren. Als Gegenmaßnahme werden in dieser Arbeit modellbasierte Methoden zur Verringerung der Schwingungsanregung bei aktiven Bewegungen sowie zur aktiven Dämpfung von Schwingungen mittels einer geeigneten Ansteuerung der hydraulischen Aktoren untersucht. Ein wesentlicher Aspekt hierbei ist die Möglichkeit der echtzeitfähigen Implementierung der betrachteten Methoden als Teil der Fahrzeugsteuerung. Bei großen Leiterlängen sind neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen zu berücksichtigen. Hierzu wird die örtliche Ausdehnung des Leitersatzes in einem verteiltparametrischen Modell eines - in Anlehnung an die teleskopische Struktur - gestuften Balkens abgebildet. Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt dabei auf den mit der Drehbewegung verbundenen, verkoppelten Biege-Torsionsschwingungen. Aufbauend auf einer modalen Darstellung des Modells werden Methoden zur Verringerung der Anregung von Schwingungen bei gesteuerten Verfahrbewegungen untersucht. Hierzu wird sowohl die Planung einer geeigneten Referenztrajektorie zu den Handhebel-Vorgaben des Benutzers als auch der Entwurf einer dynamischen Vorsteuerung betrachtet. Zur aktiven Dämpfung der Schwingungen über die hydraulischen Antriebe wird aufbauend auf einer beobachterbasierten Rekonstruktion des Schwingungszustandes eine Zustandsrückführung entworfen. Die untersuchten Ansätze werden auf einem Experimentalsystem und teilweise auch auf dem Fahrzeugsteuergerät einer Magirus M42L-AS implementiert und in Versuchen validiert.
Aktualisiert: 2020-12-08
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Aktive Dämpfung von multifrequenten Torsionsschwingungen in verzweigten Antriebssystemen

Aktive Dämpfung von multifrequenten Torsionsschwingungen in verzweigten Antriebssystemen von Stubbe,  Markus
Antriebsstränge, bei denen eine Schwingungsvermeidung durch geschickte Konstruktion oder geeignete Auswahl von Materialien nicht möglich ist, können beim Auftreten unerwünschter Schwingungen durch zusätzliche Maßnahmen gedämpft werden. In verzweigten Antriebssystemen kann es erforderlich sein, zusätzliche Aktoren zur Schwingungsdämpfung einzusetzen. Ausgehend von speziellen Problemen, die sich beim Einsatz solcher Aktoren in Walzantrieben ergeben, wird in dieser Arbeit eine neue aktive Dämpfungseinrichtung vorgestellt, die ohne Drehmomentabstützung im Fundament auskommt. Eine neuartige Kompensation von frequenzabhängigen Verzögerungen in Mess- und Stellgliedern erlaubt die simultane Bedämpfung mehrerer Schwingungsfrequenzen ohne Identifikation der dominanten Frequenz. Eine hochdynamische Stromregelung und die Nachführung der Reglerverstärkung im Dämpfungsregler bewirken, dass selbst hochfrequente Schwingungen zügig beseitigt werden. Alle im Rahmen der Arbeit entwickelten Methoden wurden an einem Versuchsstand implementiert, und die Wirksamkeit des Aktors und der Regelung in einem umfassenden Messprogramm gezeigt.
Aktualisiert: 2020-05-11
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Regelungsstrategien für den Ausleger einer Autobetonpumpe

Regelungsstrategien für den Ausleger einer Autobetonpumpe von Henikl,  Johannes
Verbesserte Konstruktionstechniken haben in den letzten Jahrzehnten zu einer ständigen Verringerung der Masse von Auslegern moderner Autobetonpumpen geführt. Die Leichtbauweise erlaubt zwar eine Erhöhung der Reichweiten, bewirkt jedoch ebenso eine Reduktion der Steifigkeit der Konstruktion. Die Ausleger von Autobetonpumpen sind deshalb im Allgemeinen anfällig für elastische Schwingungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Regelungsstrategien zur aktiven Dämpfung dieser Schwingungen sowie in der Verringerung der Bewegungen an der Auslegerspitze bzw. dem Endschlauch. Zur aktiven Schwingungsdämpfung wird in dieser Arbeit ein passivitätsbasierter, dezentraler Ansatz auf Grundlage einer vereinfachten verteilt-parametrischen Beschreibung des elastischen Auslegers verfolgt, welcher modular und unabhängig von der Anzahl an Mastsegmenten einsetzbar ist und keine exakte Kenntnis der Systemparameter erfordert. Da die typischerweise eingesetzten hydraulischen Systeme zur Aktuierung des Auslegers fundamentale Schwächen für die Umsetzung hochperformanter Regelungen aufweisen, wird zudem ein alternatives Hydraulikkonzept vorgestellt, welches den Ansprüchen hinsichtlich der dynamischen Eigenschaften sowie der funktionalen Sicherheit und Verfügbarkeit genügt. Auf Grundlage der aktiven Schwingungsdämpfung wird eine zusätzliche Strategie für die Regelung der Höhe der Auslegerspitze vorgestellt, durch welche gesondert die Bewegung des Endschlauchs während des Pumpvorgangs kompensiert wird. Hierfür wird ein Schätzverfahren unter Verwendung von Inertialsensoren zur Erfassung der Position der Auslegerspitze vorgestellt.
Aktualisiert: 2019-12-12
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