Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik

Lehrstuhl für Regelungssysteme

Prof. Dr.-Ing. Steven Liu

Arbeiten im Forschungschwerpunkt Aktive Schwingungsdämpfung

Moderne Mehrkörpersysteme, wie Manipulatoren, Regalbediengeräte, Feuerwehrdrehleitern oder Drehkransysteme, werden in Leichtbauweise gefertigt, wodurch das Verfahren besonders dynamischer Bewegungsprofile ermöglicht wird. Auf Grund der verringerten Steifigkeit werden bereits bei geringen Beschleunigungen Strukturschwingungen innerhalb der Mehrkörpersysteme angeregt. Im Falle von Manipulatoren, wie z.B. Schweißrobotern, führen Strukturschwingungen dazu, dass Fertigungstoleranzen nicht eingehalten werden können, wodurch sich der Ausschuss innerhalb der Produktion erhöht und somit die Stückkosten steigen. Bei Feuerwehrdrehleitern, Drehkransystemen oder Regalbediengeräten sind die Auswirkungen von Strukturschwingungen, die aufgrund von äußeren Störeinflüssen, wie Wind, oder sich ändernden Belastungszuständen entstehen können, weit gefährlicher, da sie Sicherheitsrisiken für Feuerwehrleute, Baustellen- oder Lagerarbeiter darstellen und sogar zu Ermüdungsbrüchen führen können. Aus diesen Gründen beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt Aktive Schwingungsdämpfung mit der Modellierung, Analyse und Simulation von schwingungsfähigen Mehrkörpersystemen sowie mit der Entwicklung und Anwendung regelungstechnischer Methoden zur aktiven Dämpfung der Strukturschwingungen.

Praktische und theoretische Problemstellungen
Die Klasse der untersuchten Mehrkörpersysteme besteht aus offenen und geschlossenen kinematischen Ketten, die als über Gelenke verbundene Balkensysteme interpretiert werden. Die Aktuierung erfolgt über konzentrierte Stelleingriffe in den Gelenken. Aus Gründen der praktischen Realisierbarkeit sollen lediglich die in den Systemen bereits vorhandenen Sensoren verwendet werden oder solche, die sich kostengünstig nachrüsten lassen, wie Dehnungsmessstreifen oder Gyroskope.

Innerhalb des Forschungsschwerpunkts Aktive Schwingungsdämpfung werden konkret folgende Problemstellungen untersucht:

• Dämpfung von Schwingungen in zwei Ebenen: Schwingungen in zwei Ebenen treten bei-spielsweise bei Feuerwehrdrehleitern auf.
• Dämpfung von Schwingungen mit sich ändernden Belastungszuständen: Veränderliche Be-lastungszustände treten beim Beladen oder Entladen bzw. beim Verfahren des Hubwagens eines Regalbediengeräts auf.
• Dämpfung von Schwingungen in offenen und geschlossenen kinematischen Ketten: Im Falle parallelkinematischer Manipulatoren beeinflussen mehrere schwingungsfähige Teilsysteme das Verhalten des Manipulators am Endeffektor, weshalb die regelungstechnische Dämpfung der entstehenden Schwingungen eine besondere Herausforderung darstellt.
  

• Modellierung: Die Systembeschreibung schwingungsfähiger Balken erfolgt mittels hyperbolischer partieller Differentialgleichungen. Es soll eine einheitliche Methodik zur Modellierung offener und geschlossener kinematischer Ketten entwickelt werden. Insbesondere die Wahl der Eigenformen bedarf ausführlicher Untersuchungen.
• Regelung: Zur Regelung der Systeme soll die Zwei-Freiheitsgrade-Regelung verwendet werden. Vorsteuerungen sollen mittels flachheitsbasierter Methoden für Systeme mit verteilten Parametern entworfen werden. Die Rückführung kann mittels Backstepping- oder Passivitäts-basierten Regelungsverfahren entworfen werden. Auch der Einsatz adaptiver, robuster und optimaler ist denkbar.
• Trajektorienplanung: Es soll eine Methode zur Planung zeitoptimaler und schwingungsmini-maler Trajektorien unter Berücksichtigung physikalischer Systemgrenzen entwickelt wer-den.
• Beobachterentwurf: Um die Schwingungen zu detektieren sind entsprechende Beobachter unter Verwendung der vorhandenen Sensoren zu entwerfen.

• Feuerwehrdrehleiter, Kransystem (nur Simulation möglich),
• Regalbediengerät, Manipulator (Simulation und praktische Realisierung sind möglich).