Theoretical and experimental investigation of an actvie vibration damping concept for metro vehicles

Abstract

In dieser Arbeit wird ein robustes Regelkonzept zur aktiven Schwingungsdämpfung von Metro-Fahrzeugen vorgestellt und theoretisch sowie experimentell validiert. Die experimentelle Untersuchung wird anhand eines 1:10 Labormodells des Wagenkastens einer schweren Metro durchgeführt. Zuerst wird eine Methode zur Korrektur von Standard-Positionierungskriterien angegeben, welche die Berücksichtigung der Aktorgröße und der Modellgenauigkeit in einem Standard-Positionierungskriterium ermöglicht. Diese Methode ist auf beliebige Probleme der aktiven Schwingungsdämpfung anwendbar. Dann werden bei gewählten Aktor- und Sensorpositionen unterschiedliche Regler ausgelegt und in einem linearen Simulationsmodell einer schweren Metro implementiert. Als Regler werden Zustandsregler, ausgelegt durch Pole-Placement, mit Kalman-Filter und D-K-Synthese-Regler verwendet. Obwohl beide Reglertypen eine Reduktion des Schwingungsniveaus ergeben zeigt sich, dass die D-K-Regler den Zustandsreglern sowohl hinsichtlich Performance als auch Robustheit überlegen sind. Die Ursache hierfür ist, dass durch die spezielle Modellierung der additiven Unsicherheit im Fall des D-K-Entwurfs ein Regler mit Bandpasswirkung und hohem Roll-Off entsteht, wodurch nur die zu regelnden Moden beeinflusst werden und sich Robustheit gegenüber der Anregung höherer, im Modell vernachlässigter Moden, ergibt. Anschließend werden die theoretischen Ergebnisse anhand eines 1:10 Labormodells des Wagenkastens einer schweren Metro verifiziert. Letztendlich wird ein einfaches aber effizientes Hardware-Redundanz basiertes Fehler-Diagnose-Konzept aufgestellt und am Labormodell erprobt. Die Detektierung von Aktorfehlern basiert dabei auf dem Signal eines Sensors, collocated mit dem Aktor. Der Nachweis der Funktionalität des Regel- und des FDI-Systems am Labormodell zeigt, dass mit dem gewählten Ansatz ein einfaches, effizientes und kostengünstiges Regelsystem geschaffen wird, das robuste Performance erzielt.<br />

In this work a robust control system for active vibration damping of a metro vehicle is proposed. The concept is tested both theoretically and experimentally on a 1/10-scaled experimental model of a heavy metro vehicle car body. First, to incorporate the influence of the actuator size and the model accuracy into state of the art positioning criteria, a proper correcting procedure is given. This method is applicable to any state of the art positioning criterion and any structural control problem. Then, for fixed actuator and sensor positions, different compensators are designed and implemented on a linear simulation model of a heavy metro vehicle. The controllers considered are state vector feedback controllers designed by pole-placement with Kalman filters and controllers designed by D-K-Iteration. It turns out, that besides the fact that both controller types are capable of vibration reduction, the D-K-controllers are superior to the state vector feedback compensators in performance as well as robustness. The high roll-off, achieved through additive uncertainty modeling of the higher modes, is the reason that the D-K-controllers exhibit band-pass action, thus being robust to spillover excitation and instability. Afterwards, the theoretically obtained results are verified experimentally on a 1/10-scaled model of a heavy metro vehicle car body. Finally, a simple yet efficient hardware redundancy based fault detection system is proposed and tested experimentally. The detection of actuator faults is based on the measurement signal of a sensor collocated with the actuator to be monitored. Thus, a simple, efficient and cheap component fault detection and therefore robustly performing closed loop system is ensured.