Modellierung und Regelung eines hydrostatischen Fahrantriebes

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem modellbasierten Reglerentwurf für einen hydraulischen Hybridantrieb in serieller Topologie. Der betrachtete IVT-Modus (Infinitely Variable Transmission) stellt den eingekuppelten Betriebsfall des Antriebs dar und ermöglicht eine Energieübertragung zwischen Primär- und Sekundärseite bei einem stufenlos variablen Übersetzungsverhältnis der beiden Drehzahlen. Eine zentrale Anforderung an das zu entwickelnde Ansteuerungskonzept stellt die Momentenregelung für den Antriebsstrang des Fahrzeugs dar, um hochdynamischen Momentenvorgaben des Fahreres folgen zu können. Aus energetischer Sicht ist weiters eine Druckregelung erforderlich, die eine Anpassung des hydraulischen Arbeitspunktes erlaubt. Der Entwurf einer Mehrgrößenregelung für das Moment und den Druck erfolgt anhand einer systematischen Vereinfachung des mathematischen Modells des Hybridantriebs. Die überaktuierte Systemstruktur schafft einen Freiheitsgrad bei der Vorgabe der Stellgrößen, der im Rahmen dieser Arbeit dazu genutzt wird, die im Betrieb auftretenden Verluste des Systems zu minimieren. Diese Anforderung wird mathematisch als beschränktes Optimierungsproblem formuliert, indem die Verluste durch stationäre Verlustkennlinien der Systemkomponenten approximiert und anschließend in einem zu minimierenden Gütefunktional kombiniert werden.<br />Stellgrößen- und Zustandsbegrenzungen werden direkt in die Formulierung des Optimierungsproblems mit einbezogen. Anhand der numerischen Lösung werden Steuertrajektorien abgeleitet, die im Sinne eines maximalen Wirkungsgrades einen optimalen Verlauf der Systemgrößen gewährleisten.<br />Die in dieser Arbeit betrachteten Regelungskonzepte werden anhand von Simulationsstudien bewertet.<br />

The present diploma thesis deals with the model-based controller design for a serial hydraulic hybrid drive. In coupled IVT (Infinitely Variable Transmission) mode, an energy transfer between the primary and secondary part of the drive as well as a continuously variable transmission ratio of the corresponding speeds is achieved. A key requirement of the control strategy is the torque control for the powertrain of the vehicle in order to provide a high-performance dynamic behaviour to the driver. From an energetic point of view, the development of a pressure control is necessary, allowing to select the operating point of the hydraulic system. For simulation purposes, a physics-based detailed mathematical model of the plant is derived. The controller for the MIMO (multi-input multi-output) system can be designed based on a simplified reduced model. Furthermore, a minimization of the power dissipation during IVT mode can be accomplished by taking into account the over-actuated system structure of the hydraulic hybrid drive. This approach is based on approximating the power losses in the components of the drive and combining them in a cost function. The resulting optimization problem is formulated in a mathematical manner by considering the constraints of the input and state variables in a systematic way. Finally, control trajectories are obtained by means of a numerical solution ensuring an optimal behaviour of the system in terms of a maximal power efficiency. Simulation studies are performed to validate and evaluate the proposed control strategies.