Numerical Methods for Optimal Control of Hydraulic Independent Metering Systems

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Die vorliegende Arbeit behandelt Regelungsverfahren für hydraulische Antriebe mit getrennten Steuerkanten, die mathematisch mit steifen Differentialgleichungen zu beschreiben sind, am Beispiel einer Teilschnittmaschine für den Tunnel- und Bergbau. Diese ist mit einem modernen intelligenten Ventil ausgerüstet, das bereits Basisregelreise in Form von PID-Reglern zur Verfügung stellt. Die wissenschaftlichen Beiträge der Arbeit beziehen sich auf den Kompressionsmodul des Fluids als wichtigsten Faktor für die Systemsteifigkeit, die Modellbildung eines intelligenten Ventils mit getrennten Steuerkanten, sowie Methoden der Variationsrechung zur optimalen Regelung einer Reglerkaskade mit Lösungsansatz für gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs) von steifen Systemen auf Basis von Matrizen. Weiters wird eine neue Methode zur Optimierung der Parameter eines PID-Reglers vorgeschlagen. Das Wylie-Yu-Modell für den effektiven Kompressionsmodul wurde erweitert um die Temperaturänderung des Öls und in eine Simulationsumgebung implementiert, um die Systemdynamik zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass in Hochdrucksystemen die Temperatur den größten Einfluss auf den Kompressionsmodul hat. Dann wurden die durch die Änderung der Ölnachgiebigkeit verursachten Energieverluste untersucht und ein adaptiver Regler vorgeschlagen, um diese zu reduzieren. Optimale Regelung wurde sowohl auf die Positions- als auch die Pfadfolgeregelung angewendet und in der Simulation verifiziert. Inkludiert wurde dabei auch ein neues Modell für die komplexe Reglerstruktur, die in den Ventilen enthalten ist. Das linearisierte Gleichungssystem wurde diskretisiert und mit Hilfe der Euler-Lagrange-Gleichungen gelöst. Die numerische Stabilität der Lösung konnte verbessert werden durch die Methode der Massenmatrix und mit Hilfe von Interstitial Derivatives unter Verwendung von zusätzlich interpolierten Punkten zur Annäherung der Differentiation. Die Anwendung der optimalen Regelung erzielt eine Verbesserung sowohl der Genauigkeit, als auch des Energiewirkungsgrads im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen. Außerdem wird damit die Pfadfolgeregelung verbessert und erreicht Abweichungen, die kleiner als 1% sind.

Details

Titel in ÜbersetzungNumerische Methoden zur optimalen Regelung von hydraulischen Systemen nach dem Prinzip der getrennten Steuerkanten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2023