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Verteilte Systeme zur adaptiven Schwingungskompensation und Regelung für die aktive Lagerung

Kauba, Michael :
Verteilte Systeme zur adaptiven Schwingungskompensation und Regelung für die aktive Lagerung.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Verteilte Systeme zur adaptiven Schwingungskompensation und Regelung für die aktive Lagerung
Language: German
Abstract:

Eine Schwingungskompensation oder -isolation ist bei vielen Anwendungen von Interesse, wo störende Kräfte zum Beispiel durch Unwuchten bei rotierenden Maschinen eingeleitet werden. Herkömmlich kann diese Problematik durch passive Schwingungsisolation oder -kompensation mit Elastomer- oder Fluidlagern und Tilgern gelöst werden, wobei diese Elemente aufgrund gegensätzlicher Anforderungen im statischen und dynamischen Bereich und zeitlicher Änderung der Störfrequenz meist nicht ideal ausgelegt werden können. Verschiedene Ansätze existieren, um Schwingungen aktiv durch eine Störgrößenaufschaltung oder Regelung zu reduzieren, wobei eine adaptive Schwingungskompensation basierend auf dem Filtered-Reference-Least-Mean-Squares Algorithmus für Mehrgrößensysteme eine hohe Güte der Schwingungsreduktion erreichen kann.

Da oftmals eine wesentliche Hürde der Anwendung der aktiven Systeme durch den nicht unerheblichen Rechenaufwand gegeben ist und für die Integration in Form eines adaptronischen Systems kaum modulare und für die jeweilige Aufgabe skalierbare Signalverarbeitungsplattformen existieren, soll ein Ziel dieser Arbeit in der Untersuchung eines intelligenten Sensor-Aktor Netzwerks zur Systemidentifikation und adaptiven Schwingungskompensation bestehen. Eine wesentliche Aufgabe besteht hierbei in der Anpassung und Erweiterung der Algorithmen.

Die grundsätzliche Bewertung geeigneter Verfahren erfolgt zunächst anhand eines vereinfachten numerischen Modells einer aktiven Lagerung, wobei mögliche Topologien zur mehrkanaligen und verteilten adaptiven Schwingungskompensation diskutiert werden und ebenfalls eine Vermaschung von adaptiver Schwingungskompensation und dezentraler Regelung untersucht wird. Weiterhin werden Konvergenz- und Stabilitätseigenschaften des vermaschten Systems analysiert. Zur Identifikation des benötigten parametrischen Modells der Übertragungsmatrix des mechanischen Systems können Methoden basierend auf adaptiven transversalen Filtern und schmalbandigen adaptiven Linearkombinierern verwendet werden, welche eine deutliche Verringerung des Rechenaufwands erlauben. Da für die praktische Umsetzung der adaptiven Gegensteuerung keine exakte Bestimmung der Referenzfrequenz vorliegt und die Bandbreite des Datenübertragungsmediums für das Sensor-Aktor-Netzwerk begrenzt ist, werden diese Faktoren ebenfalls berücksichtigt, wie auch die Kompensation von frequenzvariablen Störgrößen mit mehreren harmonischen Komponenten.

Basierend auf den Ergebnissen der numerischen Untersuchungen werden die Verfahren auf einem Rapid Control Prototyping System und einem Netzwerk aus eingebetteten Digital Signal Controllern implementiert und im Experiment untersucht. Die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Verfahren, wie auch der beiden Implementierungsarten, wird hinsichtlich der Güte der erreichten Schwingungskompensation und des notwendigen Verarbeitungsaufwands untersucht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Vibration control or isolation is of interest for many applications where for example disturbance forces are induced due to unbalanced masses of rotating machines. Conventionally these problems are solved through passive vibration isolation or compensation by means of elastomer or fluidic mounts or vibration neutralizers. Because of conflicting demands for static and dynamic loads these elements can usually not be designed to meet all necessary operating points or a time varying frequency of the disturbance. Different approaches exist for the active vibration reduction by means of feedforward or feedback control. In this conjunction adaptive vibration compensation based on the Filtered-Reference-Least-Mean-Squares algorithm for multivariable systems can achieve a good performance in terms of the vibration reduction. The application of active systems is often limited by the high computational effort of the signal processing and control algorithms. Furthermore for the integration of an adaptronic system rarely modular and to the different applications scalable signal processing platforms exist. Thus an objective of this work is the investigation of an intelligent sensor-actuator-network for system identification and adaptive vibration compensation. A major task is the adaptation and extension of the algorithms. The initial evaluation of appropriate methods is based on a simplified numerical model of an active mount whereas possible topologies for multichannel distributed and adaptive vibration compensation are discussed and also the meshing of adaptive vibration compensation and decentralized control is investigated. The convergence and stability properties of the meshed system are analyzed. For the system identification of parametric models of the transfer matrix of the mechanical system methods based on adaptive transversal filters and narrowband adaptive linear combiners can be used that allow a significant reduction of the computational effort. Since for the implementation of the adaptive vibration compensation usually no exact estimation of the reference frequency is available and also the bandwidth of the data transmission medium for the sensor-actuator-network is limited, these factors are also taken into account, as well as the compensation of disturbances with variable frequency and with multiple harmonic components. Based on the results of the numerical investigations the methods are implemented on a rapid control prototyping system and a network of embedded digital signal controllers for the experimental investigation. The performance of the different methods as well as the implementation of the two variants is examined in terms of the quality of the achieved vibration compensation and the necessary computational effort for processing of the algorithms.English
Uncontrolled Keywords: Adaptronik, Aktive Lagerung, Aktive Schwingungskompensation, Adaptive Filter, Filtered-Reference-Least-Mean-Squares Algorithmus, Dezentrale Aktive Dämpfung, Digitale Signalverarbeitung, Eingebettete Systeme, Sensor-Aktor-Netzwerk, Mehrgrößensystem
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Adaptronics, Active Mounting, Active Vibration Compensation, Adaptive Filters, Filtered-Reference-Least-Mean-Squares Algorithm, Decentralized Active Damping, Digital Signal Processing, Embedded Systems, Sensor-Actuator-Network, Multivariable SystemsEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau
Date Deposited: 08 Mar 2012 09:13
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29054
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hanselka, Prof. Dr.- Holger and Konigorski, Prof. Dr.- Ulrich
Refereed: 19 October 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2905
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