Automatisiertes robustes Reglerdesign zur aktiven Schwingungsdämpfung

Das Reglerdesign spielt bei der Auslegung eines aktiven Schwingungsdämpfungssystems eine wesentliche Rolle. Nur im optimalen Zusammenspiel zwischen Struktur und Regler kann die bestmögliche Dämpfung erzielt werden. Das führt in der Designphase zu einem Wechselspiel zwischen Strukturoptimierung und Reglerauslegung für die jeweilige Struktur. So sind bei der iterativen Optimierung der aktiven Struktur z. B. geänderte Aktor- oder Sensorpositionen zu berücksichtigen.

Matlab-Toolbox entwickelt

Während für die Strukturmodellierung Tools wie z. B. ANSYS oder ADAMS zum Einsatz kommen, eignet sich für das Reglerdesign das CAE-Tool Matlab. Es stellt u. a. eine Vielfalt an universell einsetzbaren Funktionen für verschiedenste Regelkonzepte zur Verfügung. Für das jeweilige Kontrollproblem sind geeignete Funktionen auszuwählen und die jeweilige Regelkreisbeschreibung in jeder Iteration an diese anzupassen.

Im Auftrag der Volkswagen AG wurde eine Matlab-Toolbox für automatisiertes Reglerdesign zur aktiven Schwingungsdämpfung unter Berücksichtigung nichtlinearen Aktorverhaltens entwickelt. Während die Nichtlinearität mit einem Präkompensator invertiert wird, erfolgt die eigentliche aktive Schwingungsdämpfung mit einem für die jeweilige mechanische Struktur zu optimierenden modellbasierten linearen Regler.

Um die Arbeit des Entwicklers auf die wesentlichen Arbeitsschritte der Strukturoptimierung und das Design des linearen Reglers zu begrenzen, werden die für das Reglerdesign in Matlab notwendigen Systemanpassungen gesteuert über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) im Hintergrund automatisiert durchgeführt.

Berechnung eines modellbasierten Reglers

Zunächst wird das Systemmodell aus dem bei Volkswagen eingesetzten Modellierungstool exportiert. Aus den Datenfiles werden Simulinkmodelle des offenen und geschlossenen Regelkreises erstellt sowie die Parameter eines Zustandsraummodells des linearen physikalischen Teilsystems ermittelt. Zur Modellvalidierung können Simulationen des ursprünglichen Simulators, des Simulinkmodells des offenen Regelkreises und des vereinfachten Zustandsraummodells miteinander verglichen werden.

Anschließend können Aktor- und Sensorpositionen sowie die zu dämpfenden Schwingungsgrößen ausgewählt und das resultierende Übertragungsverhalten analysiert werden. Unter Berücksichtigung der in Form von Gewichtungsmatrizen vom Benutzer einstellbaren gewünschten Frequenzbereichseigenschaften für die Regelenergie und das Schwingungsdämpfungsverhalten wird dann ein modellbasierter Regler berechnet.

Zeit- und Frequenzbereichsanalysen des geschlossenen Regelkreises des linearen Teilsystems sowie Simulationen des geregelten nichtlinearen Gesamtsystems, gesteuert und visualisiert über die GUI, liefern dann dem Entwickler die wesentlichen Informationen über das Dämpfungsverhalten der ausgelegten aktiven Struktur.