Modellierung und Regelung eines hydraulischen Hybridantriebs

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt den modellbasierten Regelungsentwurf für das hydromechanische Teilsystem eines hydraulischen Hybridantriebs in Paralleltopologie. Aus den Anforderungen an das Betriebsverhalten des Systems ergeben sich die Aufgaben einer Drehzahlregelung und einer Drehmomentenregelung. Bei offener Parallelkupplung dient die Drehzahlregelung zur Synchronisation der Drehzahl des hydraulischen Antriebs mit der Antriebsstrangdrehzahl. Im eingekuppelten Zustand wird eine Drehmomentenregelung entwickelt, um einem vorgegebenen Drehmoment hochdynamisch folgen zu können. Die inhärenten Nichtlinearitäten der Hydraulik werden durch ein mathematisches Modell des physikalischen Systems systematisch berücksichtigt. Durch gezielte Systemvereinfachungen wird ein reduziertes Entwurfssystem abgeleitet. Die Basis für diese Vereinfachung liefern eine Eigenwertanalyse, die Eigenschaften des Hydrauliköls sowie Erfahrungen über das dynamische Verhalten der verwendeten hydromechanischen Komponenten. Darauf aufbauend werden verschiedene Regelungskonzepte entwickelt, wobei das Augenmerk neben der Dynamik und der Regelgenauigkeit auch auf die Robustheit gegenüber Parameterschwankungen und Störungen gerichtet ist. Eine Herausforderung bei den Regelungsentwürfen stellt dabei die geringe Anzahl an Sensoren dar. Die Realisierbarkeit und die Qualität der vorgeschlagenen Regelungskonzepte werden durch Simulationsergebnisse gezeigt.<br />

This diploma thesis deals with the model-based nonlinear controller design for the hydro-mechanical subsystem of a hydraulic hybrid drive in parallel topology. The overall goal of this work is to develop a closed-loop speed control as well as a closed-loop torque control in order to meet the given requirements. In case the parallel-clutch is open, the task of the closed-looped speed control is to synchronise the speed of the hydraulic machine with the speed of the drive train. When the parallel-clutch is closed, the hydraulic system has to follow a desired torque. Hence, a high dynamic closed-loop torque control has to cope with this challenge. Since the hydraulic system is nonlinear in nature, a mathematical model of the physical system is derived in order to handle the nonlinearities in a systematic way.<br />Furthermore, a reduced-order model based on an eigenvalue analysis, on the physical properties of the hydraulic oil, as well as on the experiences with the hydro-mechanical components under consideration is derived in order to reduce the complexity of the overall mathematical model. By means of the simplified model various control concepts are developed with respect to the dynamics, the control error and the robustness in terms of parameter variations and disturbances. In this context, the small number of sensors is a challenging task for the controller design. The feasibility and the quality of the proposed control concepts are shown by means of simulation results.