Design and implementation of selected feedforward control strategies to suppress liquid sloshing dynamics

Abstract

Sloshing problems are widely discussed in many applications such as handling fuels in aerospace tanks or transporters and liquid transport in modern manufacturing disciplines using mechatronic and robotic systems. Since highly automated industrial processes are always strictly regarded to performance, they necessitate a well utilized control algorithm in order to fulfill safety requirements while increasing performance during the transport of open containers filled with liquid. This thesis presents selected approaches to suppress sloshing dynamics in liquid filled containers, transferred by robotic or mechatronic systems. In order to handle the liquid dynamics in control theory, an equivalent mechanical pendulum model is used. The first shown concept is based on a virtual suspended tray, which is a recently proposed approach to robustly attenuate the sloshing dynamics of containers when placed on it. This concept is improved by using the dynamic model of the tray with the liquid sloshing dynamics and deriving a specific condition, yielding the virtual position of the liquid container on the virtual tray, in order to cancel out one specific sloshing mode. Additionally, it is possible to address higher modes with the use of a differentially flat output, which enables a straightforward determination of rest-to-rest maneuvers. The effectiveness of this approach is shown both through simulations and experiments employing an industrial robot. Moreover, the robustness of sloshing suppression with respect to uncertain filling levels is investigated in a detailed robustness study. Furthermore, the same equivalent mechanical liquid model is placed on a shuttle-model of the ACOPOS 6D, a magnetic levitation system of B&R Industrial Automation GmbH. Three different model-based control concepts are introduced: One flatness-based control concept, which does not consider the shuttles' rotational degrees of freedom, and two optimization-based concepts, where one considers the constrained, rotational degrees of freedom in the main movement axes. The different approaches accept a controlled nonzero sloshing angle during transport, but eliminate sloshing dynamics after transport. A comparison in several categories, such as sloshing suppression, path following, calculation time and in experiment is done. Also, the improvement of the additional effort by the use of the rotational degrees of freedom is investigated. One concept is chosen as the most effective and practicable with a manageable calculation time, which offers a flexible parametrization in order to satisfy the requirements, depending on the use case. The experimental results of this concept are documented in photo sequences.

Das Problem des Schwappens von Flüssigkeiten wird in der Literatur in vielen Anwendungen diskutiert, beispielsweise bei Treibstoffen in Tanks in der Luft- und Raumfahrt oder beim Transport von Flüssigkeiten in modernen Fertigungsbereichen mit mechatronischen Systemen oder in der Robotik. Da hochautomatisierte industrielle Prozesse stets streng auf Leistung ausgelegt sind, erfordern sie einen gut genutzten Regelungsalgorithmus, um Sicherheitsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Leistung beim Transport von offenen, mit Flüssigkeit gefüllten Behältern zu erhöhen. In dieser Arbeit werden ausgewählte Ansätze zur Unterdrückung der Flüssigkeitsdynamik in mit Flüssigkeit befüllten Behältern präsentiert, die durch Roboter oder mechatronische Systeme transportiert werden. Es wird ein äquivalentes mechanisches Pendelmodell verwendet, um die Dynamik der Flüssigkeit in der Regelungstechnik schnell und effizient verwenden zu können. Nachfolgend werden verschiedene Konzepte erstellt, welche die Flüssigdynamiken unterdrücken. Das erste gezeigte Konzept basiert auf einem virtuellen Tablett, einem kürzlich veröffentlichten Ansatz zur robusten Reduktion der Schwappdynamik von Behältern, wenn diese darauf abgestellt werden. Dieses Konzept wird erweitert, indem das dynamische Modell des Tabletts mit der Schwappdynamik der Flüssigkeit verwendet und eine Bedingung abgeleitet wird, die die virtuelle Position des Flüssigkeitsbehälters auf dem virtuellen Tablett ergibt, um einen bestimmten Eigenmode des Systems zu eliminieren. Darüber hinaus ist es möglich, höhere Modi mithilfe eines differentiellen, flachen Ausgangs zu berücksichtigen, was eine einfache Definition von „Rest-to-rest”-Manövern ermöglicht. Die Effektivität dieses Ansatzes wird sowohl durch Simulationen als auch durch Experimente mit einem Industrieroboter gezeigt. Außerdem wird die Robustheit der Schwappunterdrückung in Bezug auf Füllstandabweichungen in einer detaillierten Robustheitsstudie untersucht. Darüber hinaus wird das gleiche äquivalente mechanische Flüssigkeitsmodell auf ein Shuttle-Modell des ACOPOS 6D, einem Magnetschwebesystem von B&R Industrial Automation GmbH, angewendet. Es werden drei verschiedene modellbasierte Regelungskonzepte vorgestellt: Ein auf Flachheit basierendes Regelungskonzept, das die rotatorischen Freiheitsgrade des Shuttles nicht berücksichtigt, und zwei Optimalsteuerungskonzepte, wobei hier bei einem die eingeschränkten, rotatorischen Freiheitsgrade in den Hauptbewegungsachsen berücksichtigt werden. Diese drei Ansätze akzeptieren einen kontrollierten Flüssigkeitswinkel während des Transports, eliminieren aber die Schwappdynamik nach dem Transport. Es wird ein Vergleich der Konzepte in verschiedenen Kategorien, wie Schwappunterdrückung, Pfadfolgegenauigkeit, Rechenzeit und einer experimentellen Untersuchung durchgeführt. Außerdem wird die Verbesserung des Schwappens durch das Berücksichtigen der Rotationsfreiheitsgrade untersucht. Es wird ein Konzept als das effektivste und praktikabelste mit moderater Rechenzeit identifiziert, das eine flexible Parametrisierung bietet, um den Anforderungen je nach Anwendungsfall gerecht zu werden. Die experimentellen Ergebnisse dieses Konzeptes werden in Bilderstrecken dokumentiert.