Drehzahlregelungsverfahren für Antriebssysteme mit schwingungsfähiger Last unter Berücksichtigung verschiedener mechanischer Antriebsparameter - Auslegung, Analyse und Vergleich

Thomsen, Sönke

Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Auslegung und Analyse von Drehzahlregelungsverfahren für Antriebssysteme mit elastisch gekoppelten Lasten. Das Ziel dabei ist, eine hohe Dynamik zu erreichen und dabei Resonanzschwingungen, die infolge der schwingungsfähigen Last entstehen können, aktiv zu dämpfen. Dabei soll der Messaufwand im Vergleich zu konventionellen Regelungsmethoden nicht erhöht werden. Die erreichbare Dynamik des drehzahlgeregelten Systems hängt neben dem Regelungsverfahren auch von den Antriebsparametern ab. Wichtige Größen dabei sind die Torsionssteifigkeit und die Massenträgheitsmomente des mechanischen Systems. Für eine möglichst allgemeine Betrachtung und einen systematischen Vergleich der ausgewählten Drehzahlregelungsverfahren werden unterschiedliche Regelungsverfahren für verschiedene Antriebskonfigurationen ausgelegt, untersucht und die erreichbare Dynamik in Abhängigkeit der mechanischen Antriebsparameter ermittelt. Es wird die konventionelle PI-Regelung mit verschiedenen Auslegungsansätzen untersucht, um den Stand der Technik darzustellen. Des Weiteren wird eine PI-Zustandsregelung ausgewählt und ein Auslegungskonzept vorgestellt, bei dem die Regelungsparameter in Abhängigkeit der Antriebsparameter berechnet werden können und somit die Komplexität der Reglerauslegung erheblich reduziert wird. Ferner wird das Konzept der Flachheitsbasierten Regelung erstmals zur Drehzahlregelung eines rotatorischen Antriebssystems unter Berücksichtigung der elastisch gekoppelten Last angewendet. Die Verfahren werden systematisch untersucht und untereinander verglichen. Der Vergleich der Regelungsverfahren umfasst die erreichbare Drehzahldynamik in Abhängigkeit der Antriebsparameter, die Robustheit und den Einfluss von Lose. Alle Verfahren werden an einem Laborteststand verifiziert. Es wird gezeigt, dass die Auslegungsstrategie der konventionellen PI-Regelung von entscheidender Bedeutung für die Dämpfung von Torsionsschwingungen ist. Wird die elastische Kopplung bei der Auslegung der PI-Regelung berücksichtigt, ist es möglich, Resonanzschwingungen zu dämpfen und die Dynamik der Drehzahlregelung zu erhöhen. Jedoch ist aufgrund der Struktur der PI-Regelung die Platzierung der Polstellen des geschlossenen Drehzahlregelkreises und somit die erreichbare Drehzahldynamik begrenzt. Die Zustandsregelung ermöglicht theoretisch eine freie Wahl der Polstellen. In dieser Arbeit wird eine Einstellung für die PI-Zustandsregelung präsentiert, mit der eine hohe Dynamik für alle betrachteten Antriebskonfigurationen erreicht wird. Gleichzeitig wird die Belastung des mechanischen Antriebsstranges reduziert und der Einfluss von Lose verringert. Die besten Ergebnisse werden mit der Flachheitsbasierten Regelung in Kombination mit einer PI-Zustandsregelung erreicht. Das resultierende Regelungskonzept zeichnet sich durch eine hohe Dynamik unter Einhaltung der Bemessungsgrößen und eine gute Robustheit aus.

The focus of this work is the design and analysis of speed-control methods for adjustable speed-drive systems with elastically coupled loads. The aim is a high dynamic speed-control with an active damping of resonance vibrations which can occur due to oscillatory load conditions. The measuring effort should not be increased in comparison with conventional control methods. The achievable dynamics of the speed-controlled system depends on the control method as well as the mechanical system parameters. Important parameters are the torsional stiffness and the inertias of the mechanical system. For a general analysis and a systematic comparison the proposed control methods are designed and analyzed for different mechanical parameter settings. Further the achievable dynamic is determined depending on the drive parameters. The state of the art is presented by analyzing the PI-control with different design approaches. Further, a PI-based state-space control approach is chosen whereas a design method is presented to calculate the controller gains dependent on the mechanical system parameters. This approach ensures that the complexity of the control design is reduced significantly. Furthermore, the concept of the flatness-based control is applied to a speed-controlled drive system with elastically coupled loads for the first time. The control methods are systematically analyzed and compared to each other. The comparison of the control methods comprises the achievable speed-control dynamics for different drive parameters, the robustness and the influence of backlash. Each control method is verified on a laboratory test-bench. It is shown, that the design strategy used for the conventional PI-controller is of particular importance to efficiently damp torsional oscillations. Resonance vibrations can be damped and the dynamic of the closed-loop speed control can be increased, if the elastic coupling is considered in the design of the PI-controller. However, the placement of the closed-loop poles and the achievable dynamics are limited by the structure of the PI-controller. The state-space control allows a theoretic free placement of the closed-loop poles. A control design of the PI-based state-space control is presented, which achieves high dynamic speed-control performance for the considered drive configurations. Moreover, the stress of the mechanical system and the influence of backlash are reduced. The best results are achieved with the flatness-based control combined with the PI-based state-space control. The resulting control approach is characterized by a high dynamic speed performance in compliance with the rated values and good robustness properties.

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Thomsen, Sönke: Drehzahlregelungsverfahren für Antriebssysteme mit schwingungsfähiger Last unter Berücksichtigung verschiedener mechanischer Antriebsparameter - Auslegung, Analyse und Vergleich.

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