Modellierung und Regelung von elektrorheologischen Dämpfern

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der mathematischen Modellbildung und dem Reglerentwurf für Systeme mit elektrorheologischen Dämpfern. Solche Dämpfer zeichnen sich durch die Verwendung eines speziellen Hydrauliköls aus, der sogenannten elektrorheologischen (ER) Flüssigkeit, deren Eigenschaften durch externe elektrische Felder gezielt beeinflusst werden können. Von besonderer Bedeutung ist dabei der starke Einfluss auf die sogenannte messbare (bzw. scheinbare) Viskosität, was die Konstruktion neuartiger innovativer Dämpfer ermöglicht.<br />Zunächst widmet sich diese Arbeit der mathematischen Modellbildung der Komponenten, welche in weiterer Folge Anwendung finden. Als erstes Thema wird eine semi-aktive Plattform zur Reduktion von vertikalen Schocks unter Verwendung von elektrorheologischen Dämpfern behandelt. Ziel ist es, eine hinreichend große Reduktion der eingeleiteten Beschleunigungen an der Plattform zu erreichen. Weiterhin wird gefordert, dass die Plattform nach dem Schock möglichst schnell wieder in die Ausgangslage zurückkehrt. Dieses Konzept wird im Anschluss auf den mehrachsigen Fall erweitert, bei dem zusätzlich auch horizontale Schocks unterdrückt werden können.<br />Als weitere Anwendung wird ein ER-Dämpfer-Prototyp für die semi-aktive Radaufhängung eines geländegängigen LKWs in Verbindung mit einer geeigneten Regelungsstrategie betrachtet. Dazu werden die bekannten Regelungsstrategien zur Dämpfung eines Viertelfahrzeugs, die Skyhook- und Groundhook-Strategie, um einen Anteil zur gezielten Reduktion der Nick-, Wank- und Hubbewegung des Aufbaus erweitert.<br />

This work deals with the mathematical modeling and the controller design for systems with electrorheological dampers. Such dampers make use of a special hydraulic oil, the so-called electrorheological (ER) fluid, whose properties depend on an externally applied electric field. Of special interest is thereby the strong dependence of the so-called apparent viscosity on the electric field strength, which can be advantageously utilized in designing new innovative dampers.<br />At the beginning, this work considers the mathematical modeling of the components used throughout this work. The first application deals with a semi-active shock isolation platform for pure vertical excitations making use of the distinct properties of electrorheological dampers. The main objective is to provide a sufficient high reduction of the induced accelerations on the platform. Furthermore, a fast re-positioning of the platform after the shock is part of the requirements.<br />This concept will be extended to the multi-dimensional case which allows additionally the suppression of horizontal shocks. Another topic is concerned with an ER damper prototype for a semi-active suspension of an off-road truck in combination with a suitable control strategy. The well-known damping control concepts for a quarter-car, the skyhook and groundhook strategies, will be extended in order to be able to specifically reduce the roll, pitch and vertical movements of the chassis.<br />