Modellierung und Identifikation elektromechanischer Aktoren am Beispiel einer Dieselregelklappe

Büchner, Steffen GND

The goal of the thesis is the development of a detailed model for electromechanical actuators using the example of the DRK. At the beginning the mechatronic system is analyzed component-by-component and decomposed in their parts bearing, direct current motor, return spring, gear box and elastic stops. This subdivision is also maintained in the following modeling process and the parameter identification.In order to actuate and measure the parts of the DRK with high precision additional test benchesareneeded.Accordingtothecomponentsfiveindividualtestbenchesandanaddi tional test bench for the entire system are developed. Thereby the test benches are customized to the components and their specific values. Thus, there is a possibility to analyze the system with unprecedented precision and the associated possibility of extremely detailed, dynamic modeling of the behavior.Based on experiments using the test benches adapted sub-models are developed for the components of the DRK. These models are based on the analysis of the components and the effects, which are observed. The combination of the sub-models respective to their assembly in the DRK results in the entire DRK-model with a two-mass system structure.An identification of the model parameters completes the DRK modeling process. For this purpose, the developed test benches are used and customized identification experiments are designed. After the identification a validation of each sub-model is carried out. The final analysis of the identification process is the validation of the overall model behavior, where an extraordinarily good match between model and real system behavior is reached.To reduce the computational effort of the detailed DRK model also a simplified model with reduced computational complexity is developed. By dint of sensitivity analysis the influence of each model parameter is determined. Parameters and the associated model structures with less influence are eliminated or combined. The reduced model shows only minor differences in input/output behavior compared to the full model, whereas the computational effort is reduced significantly.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines detaillierten Modells für elektromechanische Aktoren am Beispiel der Dieselregelklappe (DRK). Begonnen wird mit einer komponentenweise Analyse des mechantronischen Systems und der damit verbunden Zerlegung der DRK in deren Teile Lagerung, Gleichstrommotor, Rückstellfeder, Getriebe und Anschläge. Diese Unterteilung wird auch in der folgenden Modellierung und Parameteridentifikation beibehalten. Um die Teilkomponenten der DRK im Einzelnen zu aktuieren und auch zu vermessen, sind zusätzliche Prüfstände notwendig. Entsprechend der Teilkomponenten werden hierfür fünf Einzelprüfstände und zusätzlich ein Prüfstand für das Gesamtsystem entwickelt. Die Prüfstände sind dabei an die Komponenten der DRK und deren Spezifikationen angepasst. Damit besteht eine Analysemöglichkeit mit bisher unerreichter Präzision und der damit verbunden Möglichkeit der extrem detaillierten, dynamischen Nachbildung des Verhaltens.Neben den Prüfständen werden an die Teilkomponenten angepasste Teilmodelle entwickelt. Die Analyse der Bauteile und die dabei beobachteten Effekte bilden hierbei die Basis für die Auswahl und die Entwicklung der Systemmodelle. Über die Verknüpfung der Teilmodelle entsprechend ihrer Anordnung in der DRK ergibt sich das Gesamtmodell mit einer Zwei-Massen-System-Struktur.Eine Identifikation der Modellparameter vervollständigt das DRK-Modell. Hierfür werden die entwickelten Prüfstände genutzt und angepasste Experimente abgeleitet. Nach der Identifikation erfolgt eine Validierung des jeweiligen Teilmodells. Die abschließende Untersuchung des Identifikationsprozesses bildet die Validierung des Gesamtmodellverhaltens bei der sich eine außerordentlich gute Übereinstimmung mit dem realen Systemverhalten zeigt. Um den Berechnungsaufwand des detaillierten DRK-Modell zu senken, wird zudem ein reduziertes Modell mit verringerter Rechenkomplexität entwickelt. Grundlage für die Modellreduktion bildet eine Sensitivitätsanalyse, mit deren Hilfe der Einfluss der einzelnen Modellparameter bestimmt werden kann. Parameter und zugehörige Strukturzweige mit geringem Einfluss werden anschließend eliminiert oder zusammengefasst. Das reduzierte Modell zeigt dabei nur minimale Abweichungen im Ein-/Ausgangsverhalten gegenüber dem vollständigen Modell, wohingegen der Berechnungsaufwand signifikant gesenkt werden kann.

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Büchner, Steffen: Modellierung und Identifikation elektromechanischer Aktoren am Beispiel einer Dieselregelklappe. 2015.

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