AT502141A1 - Aktive schwingungsreduktion an schienenfahrzeugen - Google Patents

Description

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Aktive Schwingungsreduktion an Schienenfahrzeugen

Die Erfindung betrifft die aktive Schwingungsreduktion an einem Schienenfahrzeug, ausgehend von einem Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion an einem Schienenfahrzeug, mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie einer Regeleinrichtung, die dazu eingerichtet ist, a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten.

Durch die konsequenten Leichtbaukonstruktionen im Schienenfahrzeugbau Hegen die Eigenfrequenzen eines modernen Wagenkastens im voll ausgebauten Zustand sehr niedrig und in der Nähe der Anregungsfrequenz der Fahrwerke, in den meisten Fällen ist das der Bereich von ca. 5-10 Hz, also jener Bereich, der für das Komfortempfinden der Passagiere relevant ist. Verschlimmert wird die Situation oftmals dadurch, dass die Wagenkastenkonstruktion durch eine Vielzahl von Türen und Fenstern, die als Strukturschwächung wirken, hinsicht-Hch des Schwingverhaltens sehr komplex wird.

Zur Anhebung der Eigenfrequenzen des Wagenkastens (z.B. auf über 10 Hz), damit Anregung vom Fahrwerk und Eigenfrequenz nicht in Resonanz geraten, werden im klassischen Schienenfahrzeugbau lokale Versteifungen in der Struktur angebracht, die eine Erhöhung der Fahrzeugmasse und aufwendige Fertigung bewirkt und deren Wirkung auf die Eigenfrequenz oftmals nur geringfügig ist.

Um den Schwingungskomfort von Schienenfahrzeugen bei mögHchst geringer Massezunahme zu verbessern, bietet sich der Einsatz von aktiven Schwingungsreduktionsmaß-nahmen an. Eine MögHchkeit ist hier die Verringerung der auf den Wagenkasten wirkenden Anregung durch Einsatz aktiver Elemente in der Sekundärfederstufe, d.h. zwischen Wagenkasten und Drehgestellrahmen, oder in der Primärfederstufe. Solche Lösungsansätze gehen z.B. aus E. Foo, R. M. Goodall: 'Active Suspension control of flexible-bodied railway vehicles using electro-hydrauhc and electro-magnetic actuators', Control Engineering Practice 8 (2000) 507-518, sowie R. M. Goodall, W. Kortüm, 'Mechatronic developments for railway vehicles of the future', Control Engineering Practice 10 (2002) 887-898, hervor. Das Fahrwerk betreffende Eingriffe sind jedoch vom Sicherheitsaspekt als kritisch zu bewerten, da sich bei einem Systemausfall direkt und schlagartig die Entgleisungssicherheit des Fahrwerks ver- P9562 ·· ·· · ···· ···· ·· ··«·· ·· ·· • · · · · · ··· · · • « · ···· · · · · • · · ·· · · · ^ ···· · · ··· ·· ringert. Dieser Ansatz ist daher als sicherheitsrelevant einzustufen und wäre mit den dafür vorgesehenen umfangreichen Maßnahmen zu verfolgen.

Eine Schwingungsunterdrückung am Wagenkörper beschreiben J. Hanson et ah, 'Vibration Suppression of Railway Car Body with Piezoelectric Elements', International Symposion on Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems 2003 (STECH'03), 19-22.8.2003 Tokyo (JAPAN). Durch die Anbringung piezoelektrischer Elemente konnte eine Dämpfung einzelner Biegemoden erzielt werden. Jedoch handelt es sich hierbei tun eine passive Schwingungsdämpfung, die sich prinzipiell von der hier betrachteten aktiven Schwingungsdämpfung unterscheidet und gänzlich andere Anforderungen an Auslegung und Platzierung der dämpfenden Elemente stellt.

Auch aus dem Gebiet der Personenkraftwagen sind vielfältige Beiträge zur aktiven Schwingungsdämpfung zur Geräuschreduktion bekannt, siehe beispielsweise M. Strassberger, H. Wallner, 'Active noise reduction by structural control using piezo-electric actuators', Mechatronics 10 (2000) 851-868; sowie C. K. Song et al., 'Active Vibration control for structu-ral-acoustic coupling System of a 3-D vehicle cabin model', Journal of Sound and Vibration 267 (4) (2003) 851-865. Durch die Situation bei Personenkraftwagen sind jene Ansätze zur Schwingungsreduktion jedoch nicht ohne Weiteres auf Schienenfahrzeuge übertragbar, handelt es sich doch dort tun gänzlich andersartige Dimension und Geometrie der Fahrzeuge und eine andere Schwingungscharakteristik (Blech-Schwingungen), hier die Zahl der in Frage kommenden Schwingungstypen wesentlich schlechter überschaubar ist; außerdem liegt beim Personenkraftwagen der Schwerpunkt auf die Reduktion von Geräuschschwingungen (akustischer Art) oder einer einzelnen spezifischen Grundschwingung (Bedämpfung der Torsion bei einem Kabrio).

Als ein erfolgversprechender Ansatz zur Schwingungsreduktion sind Verfahren, bei welchen Modalmodelle zur Reglerauslegung verwendet werden, bekannt; hierzu seien die Artikel D. Halim, S. O. Reza Moheimani, 'Spatial Resonant Control of Flexible Structures-Application to a Piezoelectric Laminate Beam', IEEE Trans. Control Syst. Techn. 9 (2001) 37-53 sowie S. Leleu et ah, 'Piezoelectric Actuators and Sensors Location for Active Control of Flexible Structures', IEEE Trans. Instrum. Meas. 50 (2001) 1577-1582 erwähnt; letzterer Artikel beschreibt auch ein analytisches Verfahren zur Platzierung von Sensoren und Aktoren, das allerdings nur bei einfachen Strukturen überschaubar bleibt. Bei diesen Anwendungen wurden jedoch stets einfache, ein- oder zwei-dimensionale Systeme untersucht, sodass es keineswegs sicher war, auf welche Weise solche Verfahren bei Schienenfahrzeugen erfolgreich angewendet werden können, bei denen die Strukturen dreidimensional und zudem sehr komplex sind. P9562 • · ·· · ·»·· ···· ·· ····· · · · · • · · · · · ··· · · • · · ···· · · · · ··· ·· · · · ^ ···· · · ··* ·· Überhaupt sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die genannten bekannten Ansätze, insbesondere jene für Personenwagen, gezielt auf spezifische, einfache Schwingungsformen abstellen. Komplexe Schwingungen, erst recht eine Überlagerung verschiedener Schwingungstypen (z.B. Biege- und Torsionsschwingungen), wurden nicht ausreichend berücksichtigt.

Bei der hier betrachteten Schwingungsreduktion am konkreten Schienenfahrzeug, insbesondere einem Eisenbahnwagen für den Personenverkehr, ergibt sich eine wesentlich schwierigere Problematik als in den diversen erwähnten Lösungsansätzen aus dem Stand der Technik. Die behandelte Struktur ist dreidimensional und weist einen sehr inhomogenen Querschnitt auf, der zudem eine Vielzahl von „Löchern" (Türen, Fenster) aufweist. Das führt insbesondere dazu, dass die Eigenformen wesentlich komplexer als in bisherigen Anwendungen sind. Zudem ist die Platzierung von Sensoren und Aktoren aufgrund der komplizierten Eigenformen und wegen der baulichen Beschränkungen nicht mit herkömmlichen analytischen (einschließlich analytisch-numerischen) Methoden berechenbar. Nicht zuletzt wurden in bisherigen Anwendungen wesentlich kleinere und flexiblere Strukturen bedampft; bei der vorliegenden Anwendung, nämlich bei einem Schienenfahrzeug, sind die Kräfte und Wege an den Aktoren vergleichsweise viel höher.

Es liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg zur Schwingungsreduktion in Schienenfahrzeugen zu finden, durch den sich bei Beibehaltung der erwünschten Komfortverbesserung für die Fahrgäste die mit dem Fahrwerk verbundene Sicherheitsproblematik vermeiden lässt.

Diese Aufgabe wird von einem Regelsystem der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Aktoren ausschließlich an Befestigungsstellen des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind und die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, in Schritt b) aus den Sensormesssignalen charakteristische Größen abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen zu berechnen.

Es sei hierbei angemerkt, dass der Ausdruck „Deformation" neben Dehnungen auch Krümmungen und Torsionsverformungen (Verdrehung) einschließt.

Diese erfindungsgemäße Lösung umfasst mehrere Aspekte. Zum Einen wird eine aktive Schwingungsdämpfung vollständig auf die Wagenkastenstruktur verlagert, somit unabhängig von dem Drehgestell des Schienenfahrzeugs. Dieser Ansatz zur mechatronischen Komfortverbesserung direkt an der elastischen Fahrzeugstruktur vermeidet die Sicherheits- P9562 P9562 ·· ·· • · · • · • · · • · ·

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Problematik, die im Zusammenhang mit einer Schwingungsreduktion am Fahrwerk auftritt, da bei einem Systemausfall der Schwingungsreduktion die Entgleisungssicherheit des Fahrwerks nicht beeinflusst wird - lediglich der Schwingungskomfort für die Passagiere verschlechtert sich.

Die Verlagerung der Schwingungsreduktion auf den Wagenkasten, anstelle einer Schwingungsdämpfung des Fahrgestells oder zwischen Fahrgestell und Wagenkasten, bringt Probleme eigener Art. Dies hängt im Besonderen damit zusammen, dass (wie bereits weiter oben erläutert) nun der Wagenkasten als schwingungsfähiges Gebilde, zumal ein kontinuierliches System, betrachtet werden muss und somit die über das Fahrgestell angeregten Schwingungen im Wagenkasten sehr vielfältig sein können. Insbesondere sind nunmehr verschiedene Arten von Moden - Biegeschwingungen, Torsionen, Querschnittsverziehungen - zu erfassen, die in Überlagerung auftreten.

Daher sieht die Erfindung zum Anderen eine Modalreduktion vor, nämlich zur Berechnung der Stellgrößen aus den Sensormesssignalen diese Größen mithilfe charakteristischer Größen auszudrücken, die sich jeweils auf Schwingungseigenformen (Moden) des Wagenkastens beziehen, und zwar müssen hierbei zweckmäßiger Weise nur jene Moden der unteren Frequenzen berücksichtigt werden.

Insgesamt gelingt dem erfindungsgemäßen Regelsystem die Regelung eines elastischen Kontinuums in den Abmessungen eines Schienenfahrzeugs, d.h. mit einer Länge von 20m oder darüber. Dadurch gelingt die Schwingungsreduktion auch für komplexe Anregungen, die Überlagerungen verschiedener Modentypen enthalten, und auch die Berücksichtigung der durch unterschiedliche Beladungszustände hervorgerufenen großen Änderungen der Modellparameter von Nahverkehrs-Schienenfahrzeugen bei der Reglerauslegung ist mög-lieh.

Hierbei hat sich gezeigt, dass es - neben der damit verbundenen Vereinfachung der Fahrwerkkonstruktion - in der Regel ausreicht, wenn auch die Sensoren ausschließlich am Wagenkasten angeordnet sind. Weiters ergibt sich, wenn zumindest ein Teil der Aktoren zusätzlich als Sensoren eingesetzt sind, durch diese Doppelausnutzung eine merkliche Vereinfachung des Aufwands an Aktor- und Sensorelementen.

Als Aktoren können verschiedene Aktortypen eingesetzt werden, z.B. hydraulische Aktoren; auch für die Sensoren sind verschiedene Typen denkbar, z.B. Dehnmessstreifen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch können die Aktoren als Piezoaktoren realisiert sein, sodass infolge deren kleiner Reaktionszeiten und niedriger Totzeiten P9562 ·♦ ·· · ···· ··»· ·· « · » · · · f ·· • · · · · · «·· · · • · · ···· · · · · • · * ·· ··· £.· ···· · · ··· ·* (bei einigen wenigen ms) Schwingungen in einem größeren Frequenzbereich behandelt werden können. Insbesondere Stapel-Piezoaktoren eignen sich zur Bewältigung der benötigten großen Kräfte und Wege. Aus gleichen Gründen ist es günstig, wenn die Sensoren als Piezosensoren realisiert sind.

Von besonderer Bedeutung ist naturgemäß die Wahl der Stellen am Wagenkasten, an denen sich die Aktoren befinden. Um gezielt auf die Schwingungseigenformen einwirken zu können, können die Aktoren vorteilhafterweise am Wagenkasten in der Umgebung der maximalen Deformation einer Schwingungseigenform angebracht werden. Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung der maximalen Krümmungsabweichung einer Schwingungseigenform angebracht sind; unter Krümmungsabweichung wird der Unterschied in der Krümmung im Vergleich zu der entsprechenden Schwingungseigenform eines einheitlichen Wagenkastens (einfache Kastenform ohne Ausnehmungen für Türen, Fenster, etc.) verstanden. Bei der Wahl der Aktorenorte müssen nur jene Schwin-gungseigenformen berücksichtigt werden, die im unteren Frequenzbereich angesiedelt sind. Welche Schwingungsformen dies sind, kann aus einer Simulationen bestimmt werden. Die Zahl der berücksichtigten Schwingungseigenformen kann beispielsweise so bestimmt werden, dass die unteren N Schwingungseigenformen verwendet werden, wenn N Aktoren eingesetzt werden, oder es werden die unter einer Grenzfrequenz liegenden Schwingungseigenformen gewählt; als Grenzfrequenz kann hier z.B. 8-10 Hz angesetzt werden.

Eine andere Vorschrift zur Auswahl der Aktorenorte besteht darin, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung einer für die Form einer Schwingungseigenform relevanten Strukturschwächung angebracht werden. Hierunter sind solche Struktur Schwächungen wie Türen oder Fenster in dem Wagenkasten zu verstehen, durch die die Gestalt einer Schwingungseigenform geändert wird (ohne dass dies durch Kompensationsmaßnahmen wie z.B. ein Verstärkungselement, wie z.B. ein Verstärkungsrahmen, ausgeglichen würde). Als Umgebung gilt z.B. ein Bereich um die jeweils betrachtete Strukturschwächung (bzw. Modendeformation), der der halben Ausdehnung der Strukturschwächung (Modendeformati-on) entspricht (effektiver Radius).

Vorzugsweise stellen die charakteristischen Größen einen Zustandsvektor dar, der sich auf den Deformationszustand hinsichtlich Schwingungseigenformen des Wagenkastens bezieht. In einem solchen Zustandsvektor können sowohl Auslenkungen als auch deren zeitliche Änderungen (Geschwindigkeiten) enthalten sein, die eine vollständige Beschreibung des momentanen Deformationszustands liefern können, zumindest was die unteren Schwingungseigenformen betrifft. P9562 • · ·· · ···· ···· ·· • • • » · • • • • • • • · · • ··· • • • • • ···· • • • • • • • · • • • • δ·- • ft» · • ··· • ·

Eine besonders günstige Variante der Erfindung besteht darin, dass die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen ausschließlich aus den Sensormesssignalen und vorgebbaren Sollgrößen nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet. In einer anderen vorteilhaften Variante kann die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen mittels einer Beobachterschätzung ableiten. Hierbei kann die Beobachterschätzung als LQ-Beobachter realisiert sein, der sich durch besondere Robustheit auszeichnet.

Die Erfindung eignet sich besonders für ein Schienenfahrzeug mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion.

Die oben gestellte Aufgabe wird gleichfalls von einer Regeleinrichtung zur aktiven Schwingungsreduktion in einem Schienenfahrzeug gelöst, welche dazu eingerichtet ist, in Zusammenwirken mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten, wobei die Regeleinrichtung, ausgehend von der Voraussetzung, dass die Aktoren ausschließlich an Befestigungsstellen des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind, außerdem eingerichtet ist, in Schritt b) aus dem Sensormesssignalen charakteristische Größen abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen zu berechnen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung wurden im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Regelsystem besprochen.

Die Erfindung samt weiterer Vorzüge wird im Folgenden anhand eines nicht einschränkenden Ausfiihrungsbeispiels näher erläutert, das in den beigeftigten Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Metro-Wagen mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem;

Fig. 2 die Anbringung von Aktoren am Wagenkasten des Wagens der Fig. 1;

Fig. 3 eine Befestigungskonsole eines Aktors; P9562 ♦ « · -r » ♦· · ···· ·Μ· #· • · · · · · · < • · · · · ··· · I • · ···· · t· I • · · · · · « 9 ···· · # ··· ··

Fig. 4 die erste vertikale Biegeeigenform ab ein Beispiel für eine Schwingungseigen-form; und

Fig. 5 die Struktur des Regelkreises.

Das Ausführungsbeispiel betrifft die aktive Schwingungsreduktion an einem U-Bahn-Wagen. Da die Implementierung der Schwingungsreduktion, einschließlich der Bestimmung der Regelparameter und der Ort der Aktoren und Sensoren, auf einer Analyse der Schwingungseigenmoden des Wagens unter Verwendung einer Simulation beruht und die durch die Erfindung erreichbare Verbesserung der Schwingungseigenschaften in eingehenden Simulationen untersucht wurde, werden im Folgenden auch die Schwingungs-Simulation samt der wesentlichen zugrunde liegenden Simulationsmodelle beschrieben. 1. Übersicht

Fig. 1 zeigt einen Wagen UBW einer U-Bahn („Metro") mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion, wobei die Positionen von sechs Aktor/Sensor-Paaren AS1, AS2, AS3, AS4, AS5, AS6 ersichtlich sind, ebenso ein Schaltschrank REK mit einer Datenverarbeitungsanlage, die eine Regeleinrichtung im Sinne der Erfindung darstellt, Treibern sowie der zugehörenden Energieversorgung.

Wie bereits eingangs erläutert sollen im Besonderen die niedrigsten Strukturschwingungen des Wagenkastens WGK direkt an der elastischen Struktur gedämpft werden und dadurch den Fahrkomfort für die Passagiere erhöhen. Die Messung und Beeinflussung der auftretenden Schwingungen erfolgt mittels der Sensoren und Aktoren AS1-AS6.

Eine der Herausforderungen beim vorliegenden System ist, dass die Regelstrecke nicht klassisch als eindeutige Schnittstelle zwischen zwei starren Körpern definiert ist, sondern als Kontinuum, nämlich als elastische Wagenkastenstruktur, vorliegt. Damit ist die Anbringung von Aktoren und Sensoren prinzipiell an jedem Ort entlang der elastischen Struktur möglich; jedoch leuchtet ein, dass die Effizienz nicht an jedem Ort in gleichem Maß gegeben ist. Auch ist die Anzahl der eingesetzten Sensoren und Aktoren prinzipiell frei wählbar, über die Simulation wird ein wirtschaftlich vertretbares Maß an Aufwand und Effekt gefunden.

Gemäß der Erfindung sind die Aktoren und Sensoren am Wagenkasten WGK angeordnet -im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, bei denen Elemente zur Schwingungsreduktion am Fahrgestell FGL oder zwischen Fahrgestell und dem Wagenkasten angebracht sind. Wie in Fig. 2 (einem Ausschnitt der Fig. 1) am Beispiel zweier Aktoren AK1, AK2 gezeigt können die Aktoren an der Unterseite des Wagenkastens, und zwar am Längsträger LGT des Wagenkasten-Untergestells angebracht sein. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 sind P9562 ·· ·· · ··«· ·+·· ·· ····· ·· i · • · · · · · ··· · f • ♦ ♦ ···♦ · · · · • · I · · ··· *♦♦· * · #«· ·« die Aktoren sämtlich parallel zur Längsrichtung des Wagens UBW angeordnet; darüber hinaus sind die Aktoren eines Aktorpaares einander gegenüber an den beiden Längsträgem angeordnet, während die Aktoren einer Seite in einer Reihe hintereinander stehen. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen von Aktoren möglich, beispielsweise können alle oder einzelne Aktoren quer zur Längsrichtung am Längsträger oder Querstreben vorgesehen sein.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel dienen die Aktoren zugleich als Sensoren. Über elektrische Versorgungsleitungen VL sind sie mit der Regeleinrichtung verbunden, die zugleich die Steuerspannungen für die Aktoren liefert und die Sensormesssignale entgegennimmt.

Fig. 3 zeigt die Befestigungskonsole BEK für den Aktor AK1 in Detail, und zwar Fig. 3a in Seitenansicht und Fig. 3b in Vorderansicht. Der Aktor AK1 ist ein piezoelektrischer Stapel-Axialaktor, dessen beide Endstücke mittels Bolzen BLZ in den Wangen BEW der Konsole BEK gelagert ist. Über diese Lagerung kann der Aktor AK1 Zug- und Druckkräfte einbrin-gen und so ein lokales Biegemoment über eine lokale Kompression bzw. Dehnung am Untergestell bewirken.

Daneben sind natürlich auch vielfältige andere Aktoren/ Sensorengeometrien einsetzbar. Ein Beispiel unter vielen ist ein Biegeaktor, der als sogenannter Patch-Aktor flächig auf eine Trägerfläche, z.B. eine Unterseite oder Seitenfläche eines Längsträgers, aufgeklebt wird, um dort kontrolliert Biegemomente einzuprägen. 2. Simulation Für die Implementation und Simulation des hier dargestellten Schwingungsreduktionssystems wird ein geeignetes Mehrkörperdynamiksystem(MKS)-Programm verwendet, beispielsweise das SIMPACK-Paket (ein von der Firma Intec vertriebenes, kommerzielles MKS-Programmpaket). Die Berechnung der Bewegung eines Punktes des flexiblen Wagenkastens erfolgt dabei mit der Methode des bewegten Bezugssystems. Dem gemäß wird die Bewegung des Punktes zusammengesetzt aus einer beliebig großen Bewegung eines dem Körper zugeordneten Bezugskoordinatensystems und einer kleinen Verformung, der Bewegung des Punktes relativ zu diesem Bezugssystem. Die Verformung u(R,t) wird durch einen Ritzschen Ansatz der Form u(R,f) = <l>(R)q(f) dargestellt, wobei als Ansatzfunktionen Eigenformen des Wagenkastens ergänzt durch zusätzliche Ansatzfunktionen (sogenannte 'Frequency Response Modes', FRMs) verwendet werden. Die Multiplikatoren q werden als Modalkoordinaten bezeichnet. Die Bewegungsgleichung eines flexiblen Körpers (ohne Starrkörperfreiheitsgrade) ergibt sich dann zu (2.1) M«q + D«q + K«q = G>F*. P9562 P9562

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Die modale Massenmatrix M« und die modale Steifigkeitsmatrix Κκ erhält man dann aus der Massen- und Steifigkeitsmatrix M und K des Bauteils mit Hilfe der Ansatzfunktionen Φ durch die Transformation M«. = Φ*ΜΦ und K« = φτΚΦ. D« bezeichnet die modal transformierte Dämpfungsmatrix.

Die Reglerauslegung geschieht durch Transformation der zu regelnden Struktur in den modalen Zustandsraum und durch Analyse der damit erhaltenen Systemgleichungen. Das System wird dabei in der Form x = Ax + Bu y = Ax + Bu (2.2) dargestellt. Dabei wird A als Systemmatrix, B als Steuermatrix, C als Beobachtungsmatrix und D als Durchgangsmatrix bezeichnet, x wird als Zustandsvektor des Systems bezeichnet. Als Zustandsvektor werden die Modalkoordinaten und ihre Ableitungen gewählt. Es gilt dann x = (q q)T. Die Systemmatrix ergibt sich dann zu (2.3)

A = Γ 0 E L “Mee^Kee -Mee_1Dee .

Die Steuermatrix B beschreibt den Einfluss des Eingangsvektors u auf das System. In dem hier betrachteten Anwendungsfall entspricht der Eingangsvektor die an die Piezoaktoren angelegten Steuerspannungen; die Steuermatrix berechnet sich folglich aus den Kennwerten der Piezoaktoren. Die Beobachtungsmatrix C beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Zustandsvektor des Systems und den Sensorausgangssignalen. Die Durchgangsmatrix D beschreibt eine etwaige Rückwirkung des Eingangsvektors auf den Ausgangsvektor y (z.B. bei gleichzeitiger Verwendung eines Piezoelements als Aktor und Sensor). Die so erhaltene Systembeschreibung wird dann zur Reglerauslegung verwendet (siehe Abschnitt 4).

Zur Erprobung des Verfahrens wurde zunächst die Schwingungsreduktion einfacher Balkenstrukturen und danach ein vereinfachtes Modell eines Schienenfahrzeugs, wobei der flexible Wagenkasten stark vereinfacht als Balkenstruktur dargestellt wird, untersucht. Zuletzt wurde die aktive Schwingungsreduktion am komplexen Simulationsmodell eines real ausgeführten Schienenfahrzeugs erprobt. Dabei wird durch die aktive Schwingungsreduktion die Dämpfung der ersten vertikalen Biegeeigenfrequenz, der Querverziehung und der ersten Torsionseigenfrequenz des Wagenkastens erhöht. Diese drei Eigenfrequenzen werden ausgewählt, da ihr Einfluss auf den Fahrkomfort relativ groß ist. Um die prinzipiellen Verbesserungspotentiale einer aktiven Schwingungsreduktion auszuloten, wird die Fahrt dieses Fahrzeugs auf einer Strecke mit Gleislagefehlem simuliert. Zur Beurteilung des Fahrkomforts werden die nach ISO 2631 komfortbewerteten Vertikalbeschleunigungen an P9562 ·· ·· « ···· ···· ·· • · · · · · · · · • · · · · · ♦♦· ♦ · • · · ···· Φ ♦ · · ··· · · ··· ·· ···· · * ··· ·· einzelnen Messpunkten herangezogen und mit einem Fahrzeug ohne aktive Schwingungsreduktion verglichen.

Das Resultat dieser Simulationen zeigt, dass prinzipiell ein beträchtliches Verbesserungspotential durch die aktive Schwingungsreduktion vorhanden ist. So werden durchwegs deutliche Reduktionen der komfortbewerteten Vertikalbeschleunigungen erzielt, an einzelnen Punkten kommt es sogar zu einer Reduktion von mehr als 30%. In einem weiteren Schritt wird das Verhalten der verwendeten modellbasierten Regler bei Modellabweichungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass eine gute Robustheit gegenüber Modellabweichungen vorhanden ist.

Im letzten Schritt dieser Untersuchungen wird noch die Auswirkung der aktiven Schwingungsreduktion auf die Entgleisungssicherheit untersucht. Es werden dabei der reguläre Betrieb des aktiven Schwingungsreduktionssystems und ein angenommener Störfall, der zu einer Anregung von Torsionseigenschwingungen des Wagenkastens führt, untersucht. Dabei können bei den hier überprüften Szenarien selbst im Störungsfall nur sehr geringe Rückwirkungen auf die Entgleisungssicherheit festgestellt werden. Der Einfluss der aktiven Schwingungsreduktion auf die Fahrsicherheit und vor allem das Verhalten im Versagensfall erscheint damit als erheblich günstiger als direkte Eingriffe am Fahrwerk. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch aktive Schwingungsreduktion von Wagenkastenstrukturen beträchtliche Verbesserung des Fahrkomforts erzielt werden können. 3. Piezoelektrizität

Der Einsatz von Piezoelementen als Sensoren und Aktoren zur Schwingungsreduktion von Strukturen ist wohlbekannt, wobei man sich für den Aktor den indirekten, für Sensoren den direkten piezoelektrischen Effekt zunutze macht. Im Zusammenhang mit der aktiven Schwingungsreduktion an Schienenfahrzeugen bringt die Nutzung piezoelektrischer Komponenten als Sensoren und/oder Aktoren besondere Vorteile für die Realisierung der Erfindung.

Unter dem (direkten) piezoelektrischen Effekt versteht man die Eigenschaft bestimmter Kristalle unter Einwirkung einer äußeren Kraft eine elektrische Ladung zu produzieren. Entgegengesetzt dazu reagieren Werkstoffe mit piezoelektrischen Eigenschaften auf die Einwirkung eines elektrischen Felds mit einer Deformation (indirekter piezoelektrischer Effekt).

Das Aufbringen der Kräfte geschieht folgendermaßen: Wird an den Aktor eine Spannung (und damit ein elektrisches Feld) angelegt, so wird er einer Dehnung unterworfen. Wird P9562 • ·

• · · · · • · · · · • · · · · · · • · · · .. ·· ···· · -11- diese Dehnung behindert, so übt er eine entsprechende Kraft aus. Die erzeugte Kraft nimmt also mit zunehmendem Weg ab; kann sich der Aktor frei bewegen, so wird keine Kraft mehr erzeugt.

Man unterscheidet Piezoaktoren in drei unterschiedliche Gruppen, nämlich Axialaktoren, Transversalaktoren sowie Biegeaktoren. Axial- und Transversalaktoren ermöglichen das Aufbringen großer Kräfte bei kleinen Verschiebungen, während Biegeaktoren für Anwendungen, bei denen große Wege bei kleineren Kräften erforderlich sind, geeignet sind. Da für die Schwingimgsreduktion an großen Strukturen wie z. B. Schienenfahrzeug-Wagenkästen nur Aktoren in Frage kommen, die entsprechend große Kräfte aufbringen können, kommen für die Anwendung in erster Linie sogenannte Stapel-Aktoren in Frage.

In real ausgeführten Aktoren wird nicht nur ein Piezoelement genutzt, da sehr große Bauteillängen und damit hohe elektrische Spannungen erforderlich wären, um technisch nutzbare Verformungen zu erreichen. Daher werden in real ausgeführten Aktoren mehrere dünne Piezokeramikscheiben hintereinander verwendet. Solche Aktoren werden als Stapel-Aktoren bezeichnet. Durch Aufbau des Aktors aus dünnen Piezokeramikscheiben (typischer Weise ca. 0.3 bis 1 mm dick) ist eine Ansteuerung mit Spannungen in der Größenordnung von 100 V möglich. Aktoren dieser Art werden beispielsweise von der Firma Morgan Electro Ceramics (http://morganelectroceramics.com) angeboten; ein anderer Hersteller von Piezoelementen ist APC International Ltd. (http: / /americanpiezo. com). Da Piezokeramiken außerdem keinen großen Zugspannungen ausgesetzt werden sollten, werden Stapelaktoren häufig mit einer mechanischen Vorspannung versehen. Diese Vorspannkraft beträgt beispielsweise - um eine symmetrische Wirkung des Aktors für Zug/Druck zu ermöglichen -bis zu 50% der Maximalkraft des Aktors. 4. Regelungskonzepte zur aktiven Schwingungsreduktion

Zur aktiven Schwingungsreduktion flexibler Strukturen werden in der Literatur zahlreiche Regelkonzepte vorgestellt. Im Folgenden wird auf (an sich bekannte) Konzepte wie die Zustandsrückführung und die LQ-Regelung eingegangen, da diese Verfahren - vor allem die Zustandsrückführung mit Pol-Vorgabe - eine anschauliche Interpretation der Wirkung der Regelung auf Eigenfrequenz und Dämpfung der Struktur ermöglicht und gleichzeitig günstige Methoden zur aktiven Schwingungsreduktion darstellen.

Die hier gezeigten Regelungskonzepte können auch zur Funktions- und Anwendbarkeitsüberprüfung eingesetzt werden. Es kann damit das mögliche Verbesserungspotential durch aktive Schwingungsreduktion sowie die Größenordnung der Stellkräfte abgeschätzt werden. P9562 ·· -12- • · ♦ ♦ • · ♦ · • · ···· • · · ···· ·

4.1 Zustandsrückführung mit Polvorgabe

Als Ausgangspunkt wird eine Regelstrecke in Zustandsraumdarstellung betrachtet, es wird aber davon ausgegangen, dass die Sensoren von den Aktoren getrennt sind und daher kein direkter Einfluss der Stellgröße auf das Sensorsignal vorhanden ist. Die Durchgangsmatrix D kann daher im Folgenden weggelassen werden. x(f) = Ax(f) + Bu(t) (4.01) y(f) = Cx(f) (4.02)

Ziel der Zustandsrückführung mit Polvorgabe ist es, eine Rückführmatrix K zur Berechnung der Stellgröße u(t) = -Kx(f) (4.03) so zu wählen, dass die Systemmatrix A' A' = A - BK (4.04) des geschlossenen Regelkreises x - (A - BK)x (4.05) vorgegebene Eigenwerte besitzt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass durch die Wahl der Eigenwerte ein exakt definierter, physikalisch interpretierbarer Einfluss auf das System genommen wird.

Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur aktiven Schwingungsreduktion kann damit für eine bestimmte Eigenfrequenz sowohl die Dämpfung bei dieser Eigenfrequenz erhöht werden, wie auch die Lage der Eigenfrequenz verschoben werden. Durch die Verschiebung der Eigenfrequenz kann das geregelte System „steifer" als das ungeregelte gemacht werden.

Um eine Zustandsrückführung realisieren zu können, muss das System steuerbar sein. Ist das System nicht steuerbar, muss die Anzahl der Aktoren erhöht oder ihre Position verändert werden.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Zustandsvektor x(f) des Systems bekannt sein muss. Dies ist aber bei der aktiven Schwingungsreduktion oft nicht der Fall. Bei der Anwendung der Zustandsrückführung mit Polvorgabe zur aktiven Schwingungsreduktion werden die Modalkoordinaten q und ihre Ableitungen q als Zustandsgrößen gewählt. Da diese Größen jedoch reine Rechengrößen darstellen, die physikalisch nicht messbar sind, P9562 • · · · · · ··· · · • · · ···· · ·· · ··· ·· ··· -13- • · ···· · · ··· ·· müssen sie zur Anwendung einer Rückführung aus den verfügbaren Messgrößen gewonnen werden. Dies geschieht durch einen Beobachter (siehe Abschnitt 4.3). 4.2 LQ-Regelung

Anders als bei der Zustandrückführung mit Polvorgabe wird hier die Rückführmatrix K unter Vorgabe von Gütekriterien für den Verlauf von Stell- und Regelgröße ermittelt. Dies wird durch Definition eines Gütefunktionais / als Maß für die Güte des Regelkreises erreicht.

Definiert man das Gütefunktional der Form I = <A x(0TQ*(f) + u(f)TRu(f) )dt (4.06) mit den symmetrischen, positiv definiten Wichtungsmatrizen Q und R , so führt dies unter Beachtung des Reglergesetzes für die Zustandsrückführung (4.03) zu einem Optimierungs-problem, nämlich nach dem Minimalwert des Gütefunktionais, min J [K]. Als Lösung dieses Problem lässt sich die Rückführmatrix K für eine Regelstrecke mit der Beschreibung nach (6.01) in der folgenden Form berechnen K = RißTp (4.09)

Dabei stellt P die symmetrische, positiv definite Lösung der Matrix-Riccati Gleichung dar: ATP + PA - PBR ißTP + Q = 0 (4.10)

Da die Funktion / quadratisch und die Regelstrecke linear ist, wird diese Form der Regelung als linear-quadratische Regelung (LQ-Regelung) bezeichnet. Eine besondere Eigenschaft der LQ-Regelung ist bekanntermaßen ihre Robustheit gegenüber Modellunsicherheiten. 4.3 Beobachter

Bei realen technischen Systemen ist anstelle des vollständigen Zustandsvektors i. a. nur ein Ausgangsvektor y(f) messbar. Um dennoch eine Regelung mit Zustandsrückführung verwenden zu können, wird ein sogenannter Beobachter eingesetzt, der aus dem Ausgangsvektor den Zustandsvektor rekonstruiert. Um einen Beobachter realisieren zu können, muss die Beobachtbarkeit des Systems gewährleistet sein. Andernfalls muss die Anzahl oder Positionierung der Sensoren zur Messung von y(f) verändert werden. 4.4 Luenberger-Beobachter

Der Luenberger-Beobachter beruht auf einer Parallelschaltung des Regelstreckenmodells zur Regelstrecke mit einer Rückführung der Differenz y(f)-£(f) zwischen der realen Messgröße P9562

y(f) und der aus der Rekonstruktion durch den Beobachter geschätzten Messgröße f(t) auf das Modell.

Diese Rückführung wird genutzt, um den Zustand des Modells dem der Regelstrecke einzugleichen, so wie in einem Regelkreis die Abweichung der Regelgröße von einem Sollwert minimiert wird. Für den Schätzwert k des Zustandsvektors gilt damit die Beziehung (4.11) (4.12) *\t) = A*(t) + Bu(f) + LC(x(t)-*(t)) Führt man einen Beobachtungsfehler e(f) ein, e(f) = LC(x(f)-5c(i)) so gilt: Der Beobachtungsfehler klingt für beliebige Anfangszustände des Systems und des Beobachters genau dann ab (limt^» ||e|| =0), wenn alle Eigenwerte der Matrix (A-LC) negativen Realteil haben.

Soll mit dem Beobachter eine Zustandsrückführung mit der Rückführmatrix K realisiert werden, so wählt man die Eigenwerte des Beobachters so, dass der Betrag der Realteile des Beobachters etwa 2 bis 6 mal so groß ist wie der Betrag der Realteile des geschlossenen Regelkreises A-BK (d. h. dass der Beobachtungsfehler im Vergleich zum Streckenverhalten rasch abklingt). 4.5 LQ-Beobachter

Der LQ-Beobachter beruht auf der gleichen Struktur wie der Luenberger-Beobachter (4.11), allerdings wird die Rückführmatrix L auf andere Weise bestimmt. Das Auslegungsziel beim LQ-Beobachter ist, dass der mittlere quadratische Beobachtungsfehler möglichst klein ist. Dies führt auf eine die gleiche Aufgabenstellung wie beim Reglerentwurf mittels LQ-Regelung, die Rückführmatrix ergibt sich zu L = PCTR*1 (4.13) wobei P wieder die positiv definite Lösung der Matrix-Riccati-Gleichung (4.10) ist. Die darin vorkommenden Matrizen sind auch in diesem Fall Q und R symmetrische, positiv definite Wichtungsmatrizen, die vor dem Entwurf gewählt werden. Der Vorteil des LQ-Beobachters gegenüber dem Luenberger-Beobachter liegt wieder, wie beim LQ-Regler, in der größeren Robustheit gegenüber Modellunsicherheiten. P9562 P9562

• · · • · · • ···· • · ·♦·· · -15- ··«· ···· • ♦ · • ··· · • · · • · · • ·♦· 5. Aktive Schwingungsreduktion eines Schienenfahrzeug-Wagenkastens

Nach der Erprobung der aktiven Schwingungsreduktion an einfachen Strukturen wird das Prinzip an einem Metro-Wagenkasten eines Wagens UBW der in Fig. 1 gezeigten Art angewendet. Der verwendete Wagenkasten WGK verfügt über je fünf Türöffnungen TRI, TR2, TR3, TR4, TR5 in jeder Seitenwand. Dadurch kommt es an diesen Stellen zu einer Schwächung der Struktur, die an einem „S-Schlag" der Eigenformen in diesem Bereich zu erkennen ist. Dies ist in Fig. 4 am Beispiel der ersten vertikalen Biegeigenform des Wagenkastens gezeigt; die Verformung ist besonders groß jeweils im Bereich der Türen TRI, TR2, TR4, TR5 (mit Ausnahme der mittleren Tür TR3, an deren Ort sich das Schwingungsmaximum befindet). Zugrundegelegt wurden die Aktor/Sensorpositionen AS1-AS6 wie in Fig. 1 gezeigt. 5.1 Fahrzeugmodell

Die Flexibilität des Wagenkastens wird durch einen Modalansatz berücksichtigt. Als Ansatzfunktionen kommen dabei die ersten 17 Eigenformen aus einer Finite-Elemente (FE) Berechnung sowie 12 FRMs zur Berücksichtigung der lokalen Verformungen durch die Aktoren zur Anwendung. Für die Simulation des Gesamtfahrzeuges wird dieser Wagenkasten mit zwei Drehgestellen verbunden. 5.1.1 Aktormodellierung

Als Aktoren werden zwölf Piezo-Stapelaktoren eingesetzt. Bei der Modellierung wird der von der Aktordehnung abhängige Anteil der wirkenden Kraft zur durch den piezoelektrischen Effekt entstehenden Kraft addiert oder subtrahiert. Für die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte Kraft wird wieder ein linearer Zusammenhang zwischen angelegter elektrischer Spannung und erzeugter Kraft angenommen.

Die Berücksichtigung der lokalen Verformung infolge der Aktorwirkung erfolgt wieder durch Berechnung von FRMs für die zwölf Aktoren. 5.1.2 Sensormodellierung

Als Sensoren sind zwölf Piezoelemente vorgesehen. Sie sind an den gleichen Stellen wie die Aktoren positioniert. Ihr Ausgangssignal ist proportional zur an ihrer Einbaustelle auftretenden Dehnung. 5.1.3 Aktor- und Sensorplatzierung

Die Auswahl der Aktor- und Sensoreinbauorte erfolgt nach mehreren Kriterien: Erstens soll der Einbau an Orten erfolgen, an denen die zu regelnden Eigenformen möglichst große P9562

··· -16- • ♦ • · t • · ··· ···· «· • · · · • ··· · « • · · · • · · « • ··· t*

Dehnungen verursachen, um eine maximale Wirksamkeit zu gewährleisten. Weiters muss die Struktur an den Einbauorten die Einleitung der auftretenden Kräfte und Momente ohne Auftreten von Festigkeitsproblemen ermöglichen. Zuletzt muss auch noch geprüft werden, ob an den ausgewählten Positionen ein entsprechender Einbauraum vorhanden ist. Innerhalb dieser Grenzen ist aber zweifellos noch eine weitere regelungstechnische Positionsoptimierung möglich.

Nach Prüfung dieser Kriterien wurden daher die Ränder der Türausschnitte der jeweils inneren drei Türen TR2-TR4 am unteren Langträger LGT als Einbauorte ausgewählt (Fig. 1). 5.1.4 Verwendetes Regelkonzept

Fig. 5 zeigt eine Darstellung der Struktur des Regelkreises, wobei der obere Teil den Wagenkasten bzw. die Regelstrecke 51 repräsentiert, während der untere Teil durch die Regeleinrichtung 52 realisiert wird, die im Schaltschrank REK des erfindungsgemäßen Regelsystems lokalisiert ist.

Die Regelstrecke 51 wird im hier betrachteten Beispiel durch den Wagenkasten WGK gebildet. Zu Simulationszwecken kann dieser Teil auch nachmodelliert werden; dann wird, um eine Reglerauslegung zu ermöglichen, der Zusammenhang zwischen Eingangsgrößen u (hier die von den Aktoren auf die Struktur ausgeübten Kräfte bzw. die elektrischen Spannungen, mit der die Aktoren angesteuert werden) und Ausgangsgrößen y (Ausgangssignale der Sensoren) an dieser Regelstrecke durch ein mathematisches Modell beschrieben. Die Matrix Bw repräsentiert die Wirkung der Aktoren und gibt den Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen und den Zustandsgrößen, die Matrix Cw den Zusammenhang zwischen den Ausgangsgrößen y und den Zustandsgrößen an. Als Zustandsvektor x werden die Modalkoordinaten und ihre Ableitungen gewählt. Die Matrix Aw stellt die Systemmatrix (2.3) des Wagenkastens bzw. des simulierten physikalischen Systems dar.

Aus diesen Ausgangssignalen werden mit Hilfe des Beobachters 521 die Zustandsgrößen rekonstruiert. Durch die Verwendung der Matrizen A,B,C im Beobachter gegenüber Aw, Bw, Cw bei der Regelstrecke soll angedeutet werden, dass das Modell, mit dem der Beobachter arbeitet, eine kleinere Dimension als die Regelstrecke aufweist Der Grund dafür liegt darin, dass der Ansatz, der die Verformung als Linearkombination der einzelnen Eigenformen beschreibt, nur dann exakt ist, wenn alle (unendlich viele) Eigenformen verwendet werden; im Beobachter kann aber nur eine endliche Zahl von Eigenformen verwendet werden, wobei man bemüht ist, diese Zahl möglichst klein zu halten.

Der Regler 522 selbst führt nur eine Matrixmultiplikation der (durch den Beobachter geschätzten) Zustandsgrößen 5c mit einer Rückführmatrix K durch. Bei der Rückführung in die Regelstrecke können außerdem gegebenenfalls Führangsgrößen w (Sollwerte) abgezogen P9562 17

Regelstrecke können außerdem gegebenenfalls Führungsgrößen w (Sollwerte) abgezogen werden.

Es wird eine Zustandsrückführung mit Polvorgabe verwendet. Da vor allem die erste vertikale Biegeeigenfrequenz, die erste Torsionseigenfrequenz sowie die Dachquerschwingung einen großen Einfluss auf den Fahrkomfort aufweisen, soll bei diesen drei Eigenfrequenzen die Dämpfung erhöht werden. Zusätzlich wird durch die Regelung auch die Dämpfung der FRMs erhöht, um eine Schwingungsanregung durch die von den Aktoren eingeleiteten Kräfte zu unterbinden. Durch die Regelung wird die Dämpfung bei den geregelten Frequenzen von der Strukturdämpfung von 2% auf 30% angehoben.

Zur Rekonstruktion der als Zustandsgrößen gewählten Modalkoordinaten wird ein Beobachter eingesetzt. Da der Luenberger-Beobachter nicht die erforderliche Robustheit aufweist, wird ein LQ-Beobachter eingesetzt.

Zum Vergleich wurde auch eine Zustandsrückführung ohne Beobachter realisiert. Dies kann nur in einer Simulation durchgeführt werden, da hier direkt auf die als Zustandsgrößen gewählten, physik£ilisch nicht messbaren, Modalkoordinaten zugegriffen werden kann.

Zur weiteren Annäherung eines realistischen Regelsystems werden die Sensorsignale durch einen Tiefpass-Filter mit einer Grenzfrequenz von 190 Hz (Filterung hochfrequenter Störungen) und die rekonstruierten Zustandsgrößen mit einem Hochpass-Filter mit einer Grenzfrequenz von 6.7 Hz (Filterung der statischen Verformung) verändert.

Es sei angemerkt, dass eine Prüfung, ob eine Regeleinrichtung ein Modalmodell gemäß der Erfindung enthält, auch ohne Eingriff in die Regeleinrichtung durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Regeleinrichtung 52 als geschlossenes Bauteil dem Regelkreis entnommen werden (d.h. die Anschlüsse zu den Aktoren und Sensoren werden vorübergehend getrennt), und das Übertragungsverhalten wird mit bekannten Methoden der Systemidentifikation überprüft. Auf diese Weise kann das Verhalten des Reglers bestimmt werden; wenn das so gefundene Reglerverhalten die Eigenfrequenzen der Struktur spezifisch bedämpft, muss dem Entwurf des Reglers ein Modalmodell zugrunde liegen. 5.2 Simulationsergebnisse

Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Erfindung wurden zwei unterschiedlich Szenarien simuliert: Im ersten Fall erfolgte die Schwingungsanregung des Wagenkastens allein durch Einleitung von Kräften an den Sekundärfederanlenkpunkten. Im zweiten Fall wurde der Wagenkasten mit den zugehörigen Drehgestellen verbunden und die Fahrt auf einer vorgegebenen Strecke simuliert. Die Krafteinleitung erfolgte daher nicht nur an den Sekun- därfederanlenkpunkten, sondern auch an den Befestigungspunkten von Querdämpfem, Wankstabilisator und Längsmitnahme.

Die angeregten Schwingungsformen entsprachen (i) der ersten Biegeeigenform und (ii) der ersten Torsionseigenform. Die Schwingungsanregung erfolgte durch eine stochastische Kraft F(t), die an den insgesamt vier Anlenkpunkten der Sekundärfedem unter dem Fahrzeugboden (zwei unter dem Hinterrand der vordersten Türen TRI, zwei knapp vor den hintersten Türen TR5) eingeleitet wurde. Um die Filterung einer Gleislagestörung durch Primär- und Sekundärstufe der Drehgestelle näherungsweise abzubilden, wurde ein stochastisches Signal („weißes Rauschen") durch einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 10 Hz gefiltert, bevor es an der Struktur als Kraft aufgebracht wird. Dabei war der Zeitverlauf der am zweiten Drehgestell aufgebrachten Kräfte gleich dem Zeitverlauf der am ersten Drehgestell aufgebrachten Kräfte, aber mit einer Verzögerung um die Zeitspanne ft. Auf diese Weise wurde die bei einer Fahrt des Fahrzeugs auf einer Strecke auftretende Verzögerung zwischen dem Passieren einer Störung durch das vordere und dem Passieren durch das hintere Drehgestell nachgebildet.

In beiden Fällen erfolgt eine Auswertung durch Berechnung der auftretenden Vertikalbeschleunigung an mehreren Messpunkten am Fahrzeugboden. Zur Auswertung wurden die Effektivwerte der auftretenden Vertikalbeschleunigungen an den Messpunkten berechnet. Es wurde ein Vergleich gezogen zwischen einem Wagenkasten ohne aktive Schwingungsreduktion und einer real ausführbaren Schwingungsreduktion mit LQ-Beobachter. Für den Fall der Biegeanregung ergab sich eine wesentliche Reduktion (um bis zu ca. 70%) der Vertikalbeschleunigungen, und zwar ließ sich (wie zu erwarten) die größte Verbesserung an den Messpunkten in der Mitte zwischen den Drehgestellen erzielen. Für die Torsionsanregung ergaben sich ebenfalls deutliche Reduktionen (ca. 50%) an den vorderen und hinteren Messstellen; lediglich bei den Messstellen in der Fahrzeugmitte war die Schwingungsreduktion nur gering, weis auf die Anregung von höheren Eigenfrequenzen zurückzuführen war. Insgesamt ergab sich eine signifikante Verbesserung des Schwingverhaltens durch das erfindungsgemäße Verfahren.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen Beobachter, um die Größen des Zustandsvektors zu bestimmen. Lässt sich der Zustandsvektor mit ausreichender Sicherheit aus den Messgrößen ableiten (z.B. durch geeignete Linearkombinationen), so kann auf den Beobachter verzichtet werden. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Inverse G1 der Beobachtungsmatrix mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist. In diesem Fall kann der Beobachter 521 in Fig. 1 durch diese Inverse G1 ersetzt werden, somit werden die Stellgrößen u in der Regeleinrichtung 52 gemäß u = -Kx * -KC4y errechnet. -19- • · «· ··· • ···· · ·«· • · • · ··

Ob in einem Reglerkonzept ein Beobachter implementiert ist, kann im Übrigen auf grund der Anzahl und Anordnung der Sensoren und der Anzahl der bedampften Moden geprüft werden. Ist die Anzahl der bedämpften Moden groß, lässt sich auf die Verwendung eines Beobachters rückschließen, da nur bei Verwendung eines Beobachters alle interessierenden Zustände aus einer kleineren Anzahl von Messungen geschätzt werden können, und damit die interessierenden Eigenmoden bedampft werden können.

Wien, den

2 1. Okt MM

Claims (18)

1. P9562 • · • · • · • · · • ···· ·

   • · · • ··# · • · • · 20 ·· ···· Patentansprüche 1. Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion an einem Schienenfahrzeug (UBW), mit einer Anzahl von Sensoren (AS1-AS6) zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren (AS1-AS6) zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie einer Regeleinrichtung (52), die dazu eingerichtet ist, a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (AK1, AK2) ausschließlich an Befestigungsstellen (BEW) des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind und die Regeleinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, in Schritt b) aus den Sensormesssignalen (y) charakteristische Größen (x) abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen (u) zu berechnen.
2. 2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (AS1-AS6) am Wagenkasten angeordnet sind.
3. 3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Aktoren zusätzlich als Sensoren eingesetzt sind.
4. 4. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren als Piezoaktoren, insbesondere Stapel-Piezoaktoren, realisiert sind.
5. 5. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als Piezosensoren realisiert sind.
6. 6. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung der maximalen Deformation einer Schwingungseigenform angebracht sind. F9562 -21-

   ···· ···· ·· ·· · • · • · Φ • ··#♦ • · ♦ · • ··· ♦ ·
7. 7. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung der maximalen Krümmungsabweichung einer Schwingungseigenform angebracht sind.
8. 8. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung einer für die Form einer Schwingungseigenform relevanten Strukturschwächung angebracht sind.
9. 9. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Größen einen Zustandsvektor (x) darstellen, der sich auf den Deformationszustand hinsichtlich Schwingungseigenformen des Wagenkastens bezieht.
10. 10. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen ausschließlich aus den Sensormesssignalen (y) und vorgebbaren Sollgrößen (w) nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet.
11. 11. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen mittels einer Beobachterschätzung (521) ableitet.
12. 12. Regelsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachterschätzung als LQ-Beobachter realisiert ist.
13. 13. Schienenfahrzeug mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie mit einem Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. 14. Regeleinrichtung (REK) zur aktiven Schwingungsreduktion in einem Schienenfahrzeug, welche dazu eingerichtet ist, in Zusammenwirken mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass P9562 22

    ausgehend von der Voraussetzung, dass die Aktoren (AK1, AK2) ausschließlich an Befestigungsstellen (BEW) des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind, die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, in Schritt b) aus dem Sensormesssignalen (y) charakteristische Größen (x) abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen (u) zu berechnen.
15. 15. Regeleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Größen einen Zustandsvektor (x) darstellen, der sich auf den Deformationszustand hinsichtlich Schwingungseigenformen des Wagenkastens bezieht.
16. 16. Regeleinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Größen ausschließlich aus den Sensormesssignalen (y) und vorgebbaren Sollgrößen (w) nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet werden.
17. 17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Größen mittels einer Beobachterschätzung (521) abgeleitet werden.
18. 18. Regeleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachterschätzung als LQ-Beobachter realisiert ist. Wien, den 2 l Okt. 2004