WO2006042351A2 - Active vibration reduction in rail vehicles - Google Patents

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WO2006042351A2
WO2006042351A2 PCT/AT2005/000412 AT2005000412W WO2006042351A2 WO 2006042351 A2 WO2006042351 A2 WO 2006042351A2 AT 2005000412 W AT2005000412 W AT 2005000412W WO 2006042351 A2 WO2006042351 A2 WO 2006042351A2
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actuators
sensors
rail vehicle
car body
control system
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PCT/AT2005/000412
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German (de)
French (fr)
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WO2006042351A3 (en
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Anton Stribersky
Martin Kollmann
Gerhard Schandl
Martin Kozek
Original Assignee
Siemens Transportation Systems Gmbh & Co Kg
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Publication date
Application filed by Siemens Transportation Systems Gmbh & Co Kg filed Critical Siemens Transportation Systems Gmbh & Co Kg
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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61FRAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies
    • B61F5/24Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes
    • B61F5/245Means for damping or minimising the canting, skewing, pitching, or plunging movements of the underframes by active damping, i.e. with means to vary the damping characteristics in accordance with track or vehicle induced reactions, especially in high speed mode
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/005Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion using electro- or magnetostrictive actuation means

Definitions

  • the invention relates to the active vibration reduction on a rail vehicle, starting from a control system for active vibration reduction on a Schienenfahr ⁇ convincing, with a number of sensors for measuring deformations of Schienenfahr ⁇ zeugs and a number of actuators for generating restoring forces and / or Stellmomen ⁇ th on the rail vehicle and a control device which is adapted to a) receive measurement signals from the sensors, b) from the sensor measurement signals to calculate a set of manipulated variables, and c) the manipulated variables corresponding control signals to the actuators.
  • the treated structure is three-dimensional and has a very inhomogeneous cross-section, which also has a large number of "holes" (doors, windows), which in particular means that the eigenmodes are considerably more complex than in previous applications the placement of sensors and actuators can not be calculated by conventional analytical (including analytic-numerical) methods due to the complicated eigenmodes and because of the structural limitations, not least in previous applications substantially smaller and more flexible structures have been damped; namely, in a rail vehicle, the forces and ways on the actuators are comparatively much higher.
  • control system of the type mentioned, in which according to the invention the actuators are mounted exclusively on attachment points of the car body of the rail vehicle and the control device is adapted to derive in step b) from the sensor measurement signals characteristic quantities related to elastic deformations refer to the vibration eigenmodes of the car body, and to calculate the manipulated variables based on these characteristic variables.
  • strain includes not only strains but also curvatures and torsional deformations (twisting).
  • the invention therefore provides for a modal reduction, namely for calculating the manipulated variables from the sensor measurement signals by expressing these variables by means of characteristic quantities which relate respectively to vibration eigenmodes (modes) of the car body, namely only those modes of the lower frequencies must be taken into account expediently become.
  • control system manages the regulation of an elastic continuum in the dimensions of a rail vehicle, i. with a length of 20m or above.
  • the oscillation reduction also succeeds for complex excitations which contain superimpositions of different types of modes, and also the consideration of the large changes in the model parameters of local rail vehicles in the design of the controller caused by different loading states is possible.
  • actuators different types can be used, eg hydraulic actuators; Various types are also conceivable for the sensors, eg strain gauges. In a preferred embodiment of the invention, however, the actuators can be realized as piezoelectric actuators, so that as a result of their short reaction times and low dead times - -
  • stacked piezoelectric actuators are suitable for coping with the large forces and paths required.
  • the sensors are implemented as piezo sensors.
  • the actuators can advantageously be attached to the vehicle body in the vicinity of the maximum deformation of a vibration eigenform.
  • Curvature deviation is understood to mean the difference in curvature in comparison to the corresponding oscillation eigenform of a standard car body (simple box shape without recesses for doors, windows, etc.).
  • the number of vibration eigenmodes considered can, for example, be determined in such a way that the lower N vibration eigenmodes are used when N actuators are used, or the vibration eigenfors below a cutoff frequency are selected; as cut-off frequency, here e.g. 8-10 Hz are used.
  • the actuators are mounted on the car body in the vicinity of a structure weakening relevant to the shape of a vibration eigenform.
  • structural weakenings such as doors or windows in the vehicle body, by means of which the shape of a vibration shape is changed (without being compensated for by compensating measures, such as a reinforcing element, such as a reinforcing frame).
  • the environment is e.g. an area around the respectively considered structural weakening (or model deformation) which corresponds to half the extent of the structural weakening (modal deformation) (effective radius).
  • the characteristic quantities represent a state vector relating to the deformation state with respect to the vehicle body's inherent vibration modes; such a state vector may include both displacements and their temporal changes (velocities) which can provide a complete description of the instantaneous state of deformation, at least concerns the lower vibrational forms.
  • control device calculates the characteristic variables exclusively from the sensor measurement signals and predefinable set values according to a predetermined algorithm.
  • the control device can derive the characteristic quantities by means of an observer estimate.
  • the observer estimate can be realized as an LQ observer who is characterized by particular robustness.
  • the invention is particularly suitable for a rail vehicle with a number of sensors for measuring deformations of the rail vehicle and a number of actuators for generating restoring forces and / or adjusting torques on the rail vehicle and with a control system according to the invention for active vibration reduction.
  • a control device for active vibration reduction in a rail vehicle which is set up in cooperation with a number of sensors for measuring deformations of the rail vehicle and a number of actuators for generating restoring forces and / or Stell ⁇ moments on the rail vehicle a) receive measurement signals from the sensors, b) from the sensor measurement signals to calculate a set of manipulated variables, and c) the control variables corresponding control signals to the actuators, the control device, based on the assumption that the Actuators are aus ⁇ finally attached to attachment points of the car body of the rail vehicle, is also arranged to derive in step b) from the sensor measurement signals Sizes that relate to elastic deformations in terms of Schwingungseigen ⁇ the car body, and on the basis of this char aktercomplexities to calculate the manipulated variables.
  • Big. 1 shows a metro car with a control system according to the invention
  • Fig. 2 the attachment of actuators on the car body of the carriage of Fig. 1; 3 shows a mounting bracket of an actuator. - -
  • the embodiment relates to the active vibration reduction on a subway car. Since the implementation of the vibration reduction, including the determination of the control parameters and the location of the actuators and sensors, based on an analysis of Schwin ⁇ own geodesic modes of the car using a simulation and the achievable by the invention improvement of the vibration characteristics was studied in detailed simulations, are in The following also describes the vibration simulation together with the essential underlying simulation models.
  • FIG. 1 shows a trolley UBW of a subway ("Metro") with a control system according to the invention for active vibration reduction, wherein the positions of six actuator / sensor pairs AS1, AS2, AS3, AS4, AS5, AS6 are visible, Likewise, a control cabinet REK with a data processing system, which is a control device in the context of the invention, drivers and the associated power supply.
  • a control cabinet REK with a data processing system, which is a control device in the context of the invention, drivers and the associated power supply.
  • the lowest structural vibrations of the car body WGK are to be damped directly on the elastic structure and thereby increase the ride comfort for the passengers.
  • the measurement and influencing of the oscillations occurs by means of the sensors and actuators AS1-AS6.
  • the controlled system is not classically defined as a clear interface between two rigid bodies, but is present as a continuum, namely as an elastic body structure.
  • the attachment of actuators and sensors is possible at any location along the elastic structure; however, it is clear that efficiency is not the same everywhere.
  • the number of sensors and actuators used can in principle be freely selected; an economically justifiable degree of effort and effect is found via the simulation.
  • the actuators and sensors are arranged on the car body WGK - in contrast to previous approaches, in which elements for vibration reduction on the chassis FGL or between the chassis and the car body are mounted.
  • FIG. 2 (a section of FIG. 1) using the example of two actuators AK1, AK2, the actuators can be mounted on the underside of the car body, namely on the longitudinal member LGT of the carcass undercarriage.
  • Figs. 1 and 2 are - - -
  • the actuators are all arranged parallel to the longitudinal direction of the carriage UBW;
  • the actuators of a Aktorpases are arranged opposite each other on the two side rails, while the actuators of a page in a row behind each other.
  • other arrangements of actuators are possible, for example, all or individual actuators transverse to the longitudinal direction on the side member or Quer ⁇ striving be provided.
  • the actuators also serve as sensors. Via electrical supply lines VL they are connected to the control device, which at the same time supplies the control voltages for the actuators and receives the sensor measurement signals.
  • Fig. 3 shows the mounting bracket BEK for the actuator AKl in detail, namely Fig. 3a in side view and Fig. 3b in front view.
  • the actuator AKl is a piezoelectric stacking axial actuator, whose two end pieces are mounted by means of bolts BLZ in the cheeks BEW console BEK.
  • the actuator AK1 can apply tensile and compressive forces via this mounting and thus bring about a local bending moment via a local compression or expansion on the underframe.
  • actuators / sensor geometries can be used.
  • An example among many is a bending actuator which, as a so-called patch actuator, extends flatly onto a support surface, e.g. a bottom side or side surface of a longitudinal member is glued to impress there controlled bending moments.
  • MKS multi-body dynamics system
  • the multipliers q are called mod coordinates.
  • the controller design is done by transforming the structure to be controlled into the modal state space and by analyzing the system equations obtained with it.
  • the system is doing in the form
  • A is referred to as a system matrix
  • B a control matrix
  • C an observation matrix
  • D a passage matrix
  • x is referred to as the state vector of the system.
  • the system matrix then becomes too
  • the control matrix B describes the influence of the input vector u on the system.
  • the input vector corresponds to the control voltages applied to the piezoactuators; Consequently, the control matrix is calculated from the characteristics of the piezo actuators.
  • the observation matrix C describes the relationship between the state vector of the system and the sensor output signals.
  • the pass-through matrix D describes a possible reaction of the input vector on the output vector y (for example, with the simultaneous use of a piezoelement as actuator and sensor). The resulting system description is then used for the controller design (see section 4).
  • piezoelectric elements as sensors and actuators for vibration reduction of structures is well known, making use of the indirect, for sensors the direct piezoelectric effect for the actuator.
  • the use of piezoelectric components as sensors and / or actuators brings particular advantages for the realization of the invention.
  • the (direct) piezoelectric effect is meant the property of certain crystals under the action of an external force to produce an electric charge. Conversely, materials with piezoelectric properties react to the action of an electric field with a deformation (indirect piezoelectric effect).
  • the forces are applied as follows: If a voltage (and thus an electric field) is applied to the actuator, it is subjected to an expansion. Becomes hinders this stretching, he exerts a corresponding force. The generated force thus decreases with increasing distance; If the actuator can move freely, no more force is generated.
  • a distinction piezo actuators in three different groups namely axial actuators, transversal actuators and bending actuators.
  • Axial and transverse actuators allow the application of large forces with small displacements, while bending actuators are suitable for applications in which large paths are required for smaller forces.
  • bending actuators are suitable for applications in which large paths are required for smaller forces.
  • actuators not only a piezo element is used, since very large Bauteil ⁇ lengths and thus high electrical voltages would be required to achieve technically usable deformations. Therefore, in real running actuators several thin piezoceramic disks are used one behind the other. Such actuators are referred to as stack actuators.
  • stack actuators By constructing the actuator from thin piezoceramic disks (typically approx. 0.3 to 1 mm thick), it is possible to control voltages of the order of 100V.
  • Actuators of this kind are offered, for example, by Morgan Electro Ceramics (http://inorganelectroceramics.com); another manufacturer of piezo elements is APC International Ltd. (http://americanpiezo.com).
  • stack actuators are often provided with a mechanical bias. This biasing force is spielmik - to allow a symmetrical effect of the actuator for train / pressure - up to 50% of the maximum force of the actuator.
  • control concepts shown here can also be used to check the functionality and applicability. It can thus be estimated the potential for improvement by active vibration reduction and the magnitude of the restoring forces. - -
  • the goal of the state feedback with pole specification is a feedback matrix K for the calculation of the manipulated variable
  • a 1 A - BK (4.04)
  • the system In order to realize a state feedback, the system must be controllable. If the system can not be controlled, the number of actuators must be increased or their position changed.
  • the feedback matrix K is determined under specification of quality criteria for the course of manipulated variable and controlled variable. This is achieved by defining a quality function / as a measure of the quality of the control loop.
  • LQ control linear-quadratic control
  • the Luenberger observer is based on a parallel connection of the controlled system model to the controlled system with a feedback of the difference y ( ⁇ ) -y (f) between the real measured variable - -
  • the observation error sounds for any initial states of the system and the observer if and only if (limt ⁇ ⁇
  • 0), if all eigenvalues of the matrix (A-LC) have a negative real part.
  • the observer's eigenvalues are chosen such that the magnitude of the observer's real parts is approximately 2 to 6 times the magnitude of the real parts of the closed loop A-BK (ie that the observation error decays rapidly compared to the track behavior).
  • the LQ observer is based on the same structure as the Luenberger observer (4.11), but the return matrix L is determined in a different way.
  • the design goal of the LQ observer is that the mean square observation error is as small as possible. This leads to the same task as with the controller design by means of LQ control, the feedback matrix results
  • the carbody WGK used has five door openings TRI, TR2, TR3, TR4, TR5 in each side wall. This results in a weakening of the structure at these points, which can be recognized by an "S-beat" of the mode shapes in this region.
  • This is shown in Fig. 4 using the example of the first vertical bending shape of the carbody; particularly large in each case in the area of the doors TRI, TR2, TR4, TR5 (with the exception of the central door TR3, at whose location the oscillation maximum is located.)
  • the actuator / sensor positions AS1-AS6 were based as shown in FIG.
  • the flexibility of the car body is taken into account through a modal approach.
  • the first 17 eigenmodes from a finite element (FE) calculation and 12 FRMs for taking account of the local deformations by the actuators are used as the approach functions.
  • this car body is connected to two bogies.
  • Actuators use twelve piezo stack actuators. In modeling, the portion of the acting force, which is dependent on the actor strain, is added or subtracted to the force resulting from the piezoelectric effect. For the force generated by the piezoelectric effect, a linear relationship between the applied electrical voltage and the generated force is again assumed.
  • sensors twelve piezo elements are provided. They are positioned in the same places as the actuators. Their output signal is proportional to the auftre ⁇ at their installation point limiting strain.
  • the selection of the actuator and sensor mounting locations is based on several criteria: First, the installation should be made in places where the eigenmodes to be controlled as large as possible - -
  • FIG. 5 shows a representation of the structure of the control loop, wherein the upper part represents the Wagen ⁇ box or the controlled system 51, while the lower part is realized by the criz ⁇ device 52 which is located in the control cabinet REK of the invention Regelsys ⁇ system ,
  • the controlled system 51 is formed by the car body WGK in the example considered here. For simulation purposes, this part can also be modeled; then, in order to enable a controller design, the relationship between input quantities u (here the forces exerted by the actuators on the structure or the electrical voltages with which the actuators are driven) and output values y (output signals of the sensors) on this controlled system described a mathematical model.
  • the matrix Bw represents the effect of the actuators and indicates the relationship between the input variables and the state variables, the matrix Cw the relationship between the output variables y and the state variables. As state vector x, the modal coordinates and their derivatives are chosen.
  • the matrix Aw represents the system matrix (2.3) of the car body or of the simulated physical system.
  • the state variables are reconstructed with the aid of the observer 521.
  • the use of the matrices A, B, C in the observer with respect to Aw, Bw, Cw in the controlled system is intended to indicate that the model with which the observer operates has a smaller dimension than the controlled system.
  • the reason for this is that the approach which describes the deformation as a linear combination of the individual eigenmodes is exact only if all (infinitely many) eigenmodes are used; in the observer, however, only a finite number of eigenmodes can be used, whereby it is endeavored to keep this number as small as possible.
  • the controller 522 itself performs only a matrix multiplication of the state variables x (estimated by the observer) with a feedback matrix K. When returning to the In addition, control variables w (setpoints) can be deducted if necessary.
  • a state feedback with pole specification is used. Since above all the first verti ⁇ kale natural bending frequency, the first torsion natural frequency and the roof transverse vibration have a great influence on the ride comfort, the damping should be increased at these three natural frequencies.
  • the regulation also increases the damping of the FRMs in order to prevent vibration excitation by the forces introduced by the actuators. As a result of the regulation, the attenuation in the regulated frequencies is increased from the structural damping of 2% to 30%.
  • An observer is used to reconstruct the modal coordinates selected as state variables. Since the Luenberger observer does not have the required robustness, an LQ observer is used.
  • the sensor signals are detected by a low-pass filter with a cut-off frequency of 190 Hz (filtering of high-frequency interferences) and the reconstructed state variables with a high-pass filter with a cut-off frequency of 6.7 Hz (filtering of the static deformation). changed.
  • a check whether a control device contains a modal model according to the invention can also be carried out without intervention in the control device.
  • the control device 52 can be taken as a closed component from the control loop (i.e., the connections to the actuators and sensors are temporarily disconnected), and the transmission behavior is checked by known methods of system identification. In this way, the behavior of the controller can be determined; If the controller behavior thus found specifically attenuates the natural frequencies of the structure, the design of the controller must be based on a modal model.
  • the excited modes corresponded to (i) the first bending mode and (ii) the first torsional form.
  • the oscillation excitation was carried out by a stochastic force F (t), which was initiated at the four pivot points of the secondary springs under the vehicle floor (two under the rear edge of the foremost doors TRI, two just before the rearmost doors TR5).
  • a stochastic signal (“white noise”) was filtered through a low pass filter with a cutoff frequency of 10 Hz before being applied to the structure as a force the time course of the forces applied to the second bogie equal to the time course of the forces applied to the first bogie, but with a delay by the time period U • In this way, the delay occurring in a journey of the vehicle on a route was between the passage of a fault the front and the passing through the rear bogie replicated.
  • an evaluation is carried out by calculating the occurring vertical acceleration at a plurality of measuring points on the vehicle floor.
  • the rms values of the occurring vertical accelerations at the measuring points were calculated.
  • a comparison was drawn between a car body without active vibration reduction and a realizable vibration reduction with LQ observer.

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Abstract

The invention relates to a method for active vibration reduction in a rail vehicle (UBW) using a control system that comprises a number of sensors (AS1-AS6) for measuring deformations of the carriage body of the rail vehicle and a number of actuators (AS1-AS6), which are attached exclusively to the carriage body and generate actuating forces and/or actuating torques on the carriage body. A control device is configured to receive measurement signals from the sensors, derive characteristic variables from the signals, said variables relating to elastic deformations in terms of the vibrational eigenmode of the carriage body, calculate a set of actuating variables using these characteristic variables and supply actuating signals that correspond to the actuating variables to the actuators.

Description

AKTIVE SCHWINGUNGSREDUKTION AN SCHIENENFAHRZEUGEN ACTIVE VIBRATION REDUCTION ON RAIL VEHICLES
Die Erfindung betrifft die aktive Schwingungsreduktion an einem Schienenfahrzeug, ausge¬ hend von einem Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion an einem Schienenfahr¬ zeug, mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahr¬ zeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomen¬ ten am Schienenfahrzeug sowie einer Regeleinrichtung, die dazu eingerichtet ist, a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten.The invention relates to the active vibration reduction on a rail vehicle, starting from a control system for active vibration reduction on a Schienenfahr¬ convincing, with a number of sensors for measuring deformations of Schienenfahr¬ zeugs and a number of actuators for generating restoring forces and / or Stellmomen¬ th on the rail vehicle and a control device which is adapted to a) receive measurement signals from the sensors, b) from the sensor measurement signals to calculate a set of manipulated variables, and c) the manipulated variables corresponding control signals to the actuators.
Durch die konsequenten Leichtbaukonstruktionen im Schienenfahrzeugbau liegen die Eigen¬ frequenzen eines modernen Wagenkastens im voll ausgebauten Zustand sehr niedrig und in der Nähe der Anregungsfrequenz der Fahrwerke, in den meisten Fällen ist das der Bereich von ca. 5 - 10 Hz, also jener Bereich, der für das Komfortempfinden der Passagiere relevant ist. Verschlimmert wird die Situation oftmals dadurch, dass die Wagenkastenkonstruktion durch eine Vielzahl von Türen und Fenstern, die als Strukturschwächung wirken, hinsicht¬ lich des Schwingverhaltens sehr komplex wird.Due to the consistent lightweight constructions in rail vehicle construction Eigen¬ the frequencies of a modern car body in the fully developed state are very low and close to the excitation frequency of the chassis, in most cases, the range of about 5 - 10 Hz, ie that range is relevant for the comfort perception of the passengers. The situation is often aggravated by the fact that the carbody construction becomes very complex with respect to the vibration behavior due to a large number of doors and windows, which act as structural weakening.
Zur Anhebung der Eigenfrequenzen des Wagenkastens (z.B. auf über 10 Hz), damit Anre¬ gung vom Fahrwerk und Eigenfrequenz nicht in Resonanz geraten, werden im klassischen Schienenfahrzeugbau lokale Versteifungen in der Struktur angebracht, die eine Erhöhung der Fahrzeugmasse und aufwendige Fertigung bewirkt und deren Wirkung auf die Eigen¬ frequenz oftmals nur geringfügig ist.To increase the natural frequencies of the car body (eg to more than 10 Hz), so Anre¬ supply from the chassis and natural frequency does not resonate, local stiffeners are mounted in the structure in the classic rail vehicle, which causes an increase in vehicle mass and costly production and their effect to Eigen¬ frequency is often only slightly.
Um den Schwingungskomfort von Schienenfahrzeugen bei möglichst geringer Masse¬ zunahme zu verbessern, bietet sich der Einsatz von aktiven Schwingungsreduktionsmaß- nahmen an. Eine Möglichkeit ist hier die Verringerung der auf den Wagenkasten wirkenden Anregung durch Einsatz aktiver Elemente in der Sekundärfederstufe, d.h. zwischen Wagen¬ kasten und Drehgestellrahmen, oder in der Primärfederstufe. Solche Lösungsansätze gehen z.B. aus E. Foo, R. M. Goodall: 'Active Suspension control of flexible-bodied railway vehicles using electro-hydraulic and electro-magnetic actuators', Control Engineering Practi.ce 8 (2000) 507-518, sowie R. M. Goodall, W. Kortüm, 'Mechatronic developments for railway vehicles of the future', Control Engineering Practi.ee 10 (2002) 887-898, hervor. Das Fahrwerk betreffende Eingriffe sind jedoch vom Sicherheitsaspekt als kritisch zu bewerten, da sich bei einem Systemausfall direkt und schlagartig die Entgleisungssicherheit des Fahrwerks - -In order to improve the vibration comfort of rail vehicles with the lowest possible mass increase, the use of active vibration reduction measures offers itself. One possibility here is the reduction of the excitation acting on the car body by the use of active elements in the secondary spring stage, ie between Wagen¬ box and bogie frame, or in the primary spring stage. Such approaches are, for example, E. Foo, RM Goodall: Active Suspension Control of flexible-bodied railway vehicles using electro-hydraulic and electro-magnetic actuators, Control Engineering Practices 8 (2000) 507-518, and RM Goodall, W. Kortüm, 'Mechatronic developments for railway vehicles of the future', Control Engineering Practice 10 (2002) 887-898. However, the interventions concerning the chassis are to be regarded as critical from the safety point of view, since in the case of a system failure the suspension derailment safety is directly and abruptly - -
verringert. Dieser Ansatz ist daher als sicherheitsrelevant einzustufen und wäre mit den dafür vorgesehenen umfangreichen Maßnahmen zu verfolgen.reduced. This approach should therefore be classified as safety-relevant and should be pursued with the extensive measures provided for this purpose.
Eine Schwingungsunterdrückung am Wagenkörper beschreiben J. Hanson et al., 'Vibration Suppression of Railway Car Body with Piezoelectric Elements', International Symposion on Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems 2003 (STECH '03), 19-22.8.2003 Tokyo (JAPAN). Durch die Anbringung piezoelektrischer Elemente konnte eine Dämpfung einzelner Biegemoden erzielt werden. Jedoch handelt es sich hierbei um eine passive Schwingungsdämpfung, die sich prinzipiell von der hier betrachteten aktiven Schwingungsdämpfung unterscheidet und gänzlich andere Anforderungen an Auslegung und Platzierung der dämpfenden Elemente stellt.A vibration suppression on the car body is described by J. Hanson et al., "Vibration Suppression of Railway Car Body with Piezoelectric Elements", International Symposium on Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems 2003 (STECH '03), 19-22.8.2003 Tokyo (JAPAN). By attaching piezoelectric elements damping of individual bending modes could be achieved. However, this is a passive vibration damping, which differs in principle from the considered here active vibration damping and completely different requirements for interpretation and placement of the damping elements.
Auch aus dem Gebiet der Personenkraftwagen sind vielfältige Beiträge zur aktiven Schwin¬ gungsdämpfung zur Geräuschreduktion bekannt, siehe beispielsweise M. Strassberger, H. Wallner, 'Active noise reduction by structural control using piezo-electric actuators', Mechatronics 10 (2000) 851-868; sowie C. K. Song et al, 'Active Vibration control for structu- ral-acoustic coupling System of a 3-D vehicle cabin model', Journal of Sound and Vibration 267 (4) (2003) 851-865. Durch die Situation bei Personenkraftwagen sind jene Ansätze zur Schwingungsreduktion jedoch nicht ohne Weiteres auf Schienenfahrzeuge übertragbar, handelt es sich doch dort um gänzlich andersartige Dimension und Geometrie der Fahrzeu¬ ge und eine andere Schwingungscharakteristik (Blech-Schwingungen), hier die Zahl der in Frage kommenden Schwingungstypen wesentlich schlechter überschaubar ist; außerdem liegt beim Personenkraftwagen der Schwerpunkt auf die Reduktion von Geräuschschwin¬ gungen (akustischer Art) oder einer einzelnen spezifischen Grundschwingung (Bedämpfung der Torsion bei einem Kabrio).Numerous contributions to active vibration damping for noise reduction are also known in the field of passenger cars, see, for example, M. Strassberger, H. Wallner, "Active Noise Reduction by Structural Control Using Piezoelectric Actuators", Mechatronics 10 (2000) 851-868 ; and C.K. Song et al., Active Vibration Control for Structural-acoustic Coupling System of a 3-D Vehicle Cabin Model, Journal of Sound and Vibration 267 (4) (2003) 851-865. However, due to the situation in passenger cars, those approaches to vibration reduction are not readily transferable to rail vehicles, as there is a completely different dimension and geometry of the vehicle and a different vibration characteristic (plate vibrations), here the number of possible ones Vibration types are much less manageable; In addition, the emphasis in the passenger car is on the reduction of Geräuschschwin¬ conditions (acoustic type) or a single specific fundamental vibration (damping the torsion in a convertible).
Als ein erfolgversprechender Ansatz zur Schwingungsreduktion sind Verfahren, bei welchen Modalmodelle zur Reglerauslegung verwendet werden, bekannt; hierzu seien die Artikel D. HaHm, S. O. Reza Moheimani, 'Spatial Resonant Control of Flexible Structures-Applica- tion to a Piezoelectric Laminate Beam', IEEE Trans. Control Syst. Techn. 9 (2001) 37-53 sowie S. Leleu et ah, 'Piezoelectric Actuators and Sensors Location for Active Control of Flexible Structures', IEEE Trans. Instrum. Meas. 50 (2001) 1577-1582 erwähnt; letzterer Artikel beschreibt auch ein analytisches Verfahren zur Platzierung von Sensoren und Akto¬ ren, das allerdings nur bei einfachen Strukturen überschaubar bleibt. Bei diesen Anwendun¬ gen wurden jedoch stets einfache, ein- oder zwei-dimensionale Systeme untersucht, sodass es keineswegs sicher war, auf welche Weise solche Verfahren bei Schienenfahrzeugen erfolg¬ reich angewendet werden können, bei denen die Strukturen dreidimensional und zudem sehr komplex sind. - -As a promising approach to vibration reduction, methods using modal models for controller design are known; see the articles D. HaHm, SO Reza Moheimani, Spatial Resonant Control of Flexible Structures Applica- tion to a Piezoelectric Laminate Beam, IEEE Trans. Control Syst. Techn. 9 (2001) 37-53 and S. Leleu et al., 'Piezoelectric Actuators and Sensors Location for Active Control of Flexible Structures', IEEE Trans. Instrum. Meas. 50 (2001) 1577-1582; The latter article also describes an analytical method for the placement of sensors and actuators, which, however, remains manageable only with simple structures. In these applications, however, simple, one- or two-dimensional systems have always been investigated, so that it was by no means certain how such methods can be successfully used in rail vehicles in which the structures are three-dimensional and, moreover, very complex. - -
Überhaupt sollte an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die genannten bekannten Ansätze, insbesondere jene für Personenwagen, gezielt auf spezifische, einfache Schwin¬ gungsformen abstellen. Komplexe Schwingungen, erst recht eine Überlagerung verschiede¬ ner Schwingungstypen (z.B. Biege- und Torsionsschwingungen), wurden nicht ausreichend berücksichtigt.In general, it should be pointed out at this point that the mentioned known approaches, in particular those for passenger cars, specifically target specific, simple vibration modes. Complex vibrations, even more so a superimposition of different types of vibration (for example, bending and torsional vibrations), have not been sufficiently considered.
Bei der hier betrachteten Schwingungsreduktion am konkreten Schienenfahrzeug, insbeson¬ dere einem Eisenbahnwagen für den Personenverkehr, ergibt sich eine wesentlich schwieri¬ gere Problematik als in den diversen erwähnten Lösungsansätzen aus dem Stand der Tech¬ nik. Die behandelte Struktur ist dreidimensional und weist einen sehr inhomogenen Quer¬ schnitt auf, der zudem eine Vielzahl von „Löchern" (Türen, Fenster) aufweist. Das führt insbesondere dazu, dass die Eigenformen wesentlich komplexer als in bisherigen Anwen¬ dungen sind. Zudem ist die Platzierung von Sensoren und Aktoren aufgrund der kompli¬ zierten Eigenformen und wegen der baulichen Beschränkungen nicht mit herkömmlichen analytischen (einschließlich analytisch-numerischen) Methoden berechenbar. Nicht zuletzt wurden in bisherigen Anwendungen wesentlich kleinere und flexiblere Strukturen be¬ dämpft; bei der vorliegenden Anwendung, nämlich bei einem Schienenfahrzeug, sind die Kräfte und Wege an den Aktoren vergleichsweise viel höher.The vibration reduction considered here on a specific rail vehicle, in particular a railway carriage for passenger transport, results in a considerably more difficult problem than in the various solutions of the state of the art mentioned above. The treated structure is three-dimensional and has a very inhomogeneous cross-section, which also has a large number of "holes" (doors, windows), which in particular means that the eigenmodes are considerably more complex than in previous applications the placement of sensors and actuators can not be calculated by conventional analytical (including analytic-numerical) methods due to the complicated eigenmodes and because of the structural limitations, not least in previous applications substantially smaller and more flexible structures have been damped; namely, in a rail vehicle, the forces and ways on the actuators are comparatively much higher.
Es liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Weg zur Schwin¬ gungsreduktion in Schienenfahrzeugen zu finden, durch den sich bei Beibehaltung der erwünschten Komfortverbesserung für die Fahrgäste die mit dem Fahrwerk verbundene Sicherheitsproblematik vermeiden lässt.It is therefore the object of the present invention to find a way of reducing vibration in rail vehicles by which, while maintaining the desired comfort improvement for the passengers, the safety problem associated with the chassis can be avoided.
Diese Aufgabe wird von einem Regelsystem der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem erfindungsgemäß die Aktoren ausschließlich an Befestigungsstellen des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind und die Regeleinrichtung dazu eingerichtet ist, in Schritt b) aus den Sensormesssignalen charakteristische Größen abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen zu berechnen.This object is achieved by a control system of the type mentioned, in which according to the invention the actuators are mounted exclusively on attachment points of the car body of the rail vehicle and the control device is adapted to derive in step b) from the sensor measurement signals characteristic quantities related to elastic deformations refer to the vibration eigenmodes of the car body, and to calculate the manipulated variables based on these characteristic variables.
Es sei hierbei angemerkt, dass der Ausdruck „Deformation" neben Dehnungen auch Krüm¬ mungen und Torsionsverformungen (Verdrehung) einschließt.It should be noted here that the term "deformation" includes not only strains but also curvatures and torsional deformations (twisting).
Diese erfindungsgemäße Lösung umfasst mehrere Aspekte. Zum Einen wird eine aktive Schwingungsdämpfung vollständig auf die Wagenkastenstruktur verlagert, somit unabhän¬ gig von dem Drehgestell des Schienenfahrzeugs. Dieser Ansatz zur mechatronischen Kom¬ fortverbesserung direkt an der elastischen Fahrzeugstruktur vermeidet die Sicherheits- - -This solution according to the invention comprises several aspects. On the one hand, an active vibration damping is completely shifted to the car body structure, thus independently of the bogie of the rail vehicle. This approach to mechatronic comfort improvement directly on the elastic vehicle structure avoids the safety - -
problematik, die im Zusammenhang mit einer Schwingungsreduktion am Fahrwerk auftritt, da bei einem Systemausfall der Schwingungsreduktion die Entgleisungssicherheit des Fahrwerks nicht beeinflusst wird - lediglich der Schwingungskomfort für die Passagiere verschlechtert sich.problematic, which occurs in connection with a vibration reduction on the chassis, since in a system failure of the vibration reduction, the derailment safety of the chassis is not affected - only the vibration comfort for the passengers deteriorates.
Die Verlagerung der Schwingungsreduktion auf den Wagenkasten, anstelle einer Schwin¬ gungsdämpfung des Fahrgestells oder zwischen Fahrgestell und Wagenkasten, bringt Probleme eigener Art. Dies hängt im Besonderen damit zusammen, dass (wie bereits weiter oben erläutert) nun der Wagenkasten als schwingungsfähiges Gebilde, zumal ein kontinu¬ ierliches System, betrachtet werden muss und somit die über das Fahrgestell angeregten Schwingungen im Wagenkasten sehr vielfältig sein können. Insbesondere sind nunmehr verschiedene Arten von Moden - Biegeschwingungen, Torsionen, Querschnittsverziehungen - zu erfassen, die in Überlagerung auftreten.The displacement of the vibration reduction on the car body, instead of a Schwin¬ tion damping of the chassis or between the chassis and car body, brings problems of their own kind. This is in particular the fact that (as already explained above) now the car body as a vibratory structure, especially a Continuous system, must be considered and thus the excited via the chassis oscillations in the car body can be very diverse. In particular, now different types of modes - bending vibrations, torsions, Querschnittsverziehung - to detect that occur in superposition.
Daher sieht die Erfindung zum Anderen eine Modalreduktion vor, nämlich zur Berechnung der Stellgrößen aus den Sensormesssignalen diese Größen mithilfe charakteristischer Größen auszudrücken, die sich jeweils auf Schwingungseigenformen (Moden) des Wagenkastens beziehen, und zwar müssen hierbei zweckmäßiger Weise nur jene Moden der unteren Frequenzen berücksichtigt werden.On the other hand, the invention therefore provides for a modal reduction, namely for calculating the manipulated variables from the sensor measurement signals by expressing these variables by means of characteristic quantities which relate respectively to vibration eigenmodes (modes) of the car body, namely only those modes of the lower frequencies must be taken into account expediently become.
Insgesamt gelingt dem erfindungsgemäßen Regelsystem die Regelung eines elastischen Kontinuums in den Abmessungen eines Schienenfahrzeugs, d.h. mit einer Länge von 20m oder darüber. Dadurch gelingt die Schwingungsreduktion auch für komplexe Anregungen, die Überlagerungen verschiedener Modentypen enthalten, und auch die Berücksichtigung der durch unterschiedliche Beladungszustände hervorgerufenen großen Änderungen der Modellparameter von Nahverkehrs-Schienenfahrzeugen bei der Reglerauslegung ist mög¬ lich.Overall, the control system according to the invention manages the regulation of an elastic continuum in the dimensions of a rail vehicle, i. with a length of 20m or above. As a result, the oscillation reduction also succeeds for complex excitations which contain superimpositions of different types of modes, and also the consideration of the large changes in the model parameters of local rail vehicles in the design of the controller caused by different loading states is possible.
Hierbei hat sich gezeigt, dass es - neben der damit verbundenen Vereinfachung der Fahr¬ werkkonstruktion - in der Regel ausreicht, wenn auch die Sensoren ausschließlich am Wagenkasten angeordnet sind. Weiters ergibt sich, wenn zumindest ein Teil der Aktoren zusätzlich als Sensoren eingesetzt sind, durch diese Doppelausnutzung eine merkliche Vereinfachung des Aufwands an Aktor- und Sensorelementen.Here it has been shown that it - in addition to the associated simplification of Fahr¬ factory construction - usually sufficient, even if the sensors are arranged exclusively on the car body. Furthermore, if at least some of the actuators are additionally used as sensors, this double utilization results in a considerable simplification of the expenditure of actuator and sensor elements.
Als Aktoren können verschiedene Aktortypen eingesetzt werden, z.B. hydraulische Aktoren; auch für die Sensoren sind verschiedene Typen denkbar, z.B. Dehnmessstreifen. In einer bevorzugten Ausführungsforrn der Erfindung jedoch können die Aktoren als Piezoaktoren realisiert sein, sodass infolge deren kleiner Reaktionszeiten und niedriger Totzeiten - -As actuators, different types of actuators can be used, eg hydraulic actuators; Various types are also conceivable for the sensors, eg strain gauges. In a preferred embodiment of the invention, however, the actuators can be realized as piezoelectric actuators, so that as a result of their short reaction times and low dead times - -
(bei einigen wenigen ms) Schwingungen in einem, größeren Frequenzbereich behandelt werden können. Insbesondere Stapel-Piezoaktoren eignen sich zur Bewältigung der benötig¬ ten großen Kräfte und Wege. Aus gleichen Gründen ist es günstig, wenn die Sensoren als Piezosensoren realisiert sind.(in a few ms) vibrations in a wider frequency range can be treated. In particular, stacked piezoelectric actuators are suitable for coping with the large forces and paths required. For the same reasons, it is advantageous if the sensors are implemented as piezo sensors.
Von besonderer Bedeutung ist naturgemäß die Wahl der Stellen am Wagenkasten, an denen sich die Aktoren befinden. Um gezielt auf die Schwingungseigenformen einwirken zu kön¬ nen, können die Aktoren vorteilhafterweise am Wagenkasten in der Umgebung der maxima¬ len Deformation einer Schwingungseigenform angebracht werden. Hierbei ist es besonders günstig, wenn die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung der maximalen Krümmungs¬ abweichung einer Schwingungseigenform angebracht sind; unter Krümmungsabweichung wird der Unterschied in der Krümmung im Vergleich zu der entsprechenden Schwingungs¬ eigenform eines einheitlichen Wagenkastens (einfache Kastenform ohne Ausnehmungen für Türen, Fenster, etc.) verstanden. Bei der Wahl der Aktorenorte müssen nur jene Schwin- gungseigenformen berücksichtigt werden, die im unteren Frequenzbereich angesiedelt sind. Welche Schwingungsformen dies sind, kann aus einer Simulationen bestimmt werden. Die Zahl der berücksichtigten Schwingungseigenformen kann beispielsweise so bestimmt wer¬ den, dass die unteren N Schwingungseigenformen verwendet werden, wenn N Aktoren eingesetzt werden, oder es werden die unter einer Grenzfrequenz liegenden Schwingungs- eigenf ormen gewählt; als Grenzfrequenz kann hier z.B. 8-10 Hz angesetzt werden.Of particular importance is of course the choice of bodies on the car body, where the actuators are located. In order to be able to act in a targeted manner on the vibration eigenmodes, the actuators can advantageously be attached to the vehicle body in the vicinity of the maximum deformation of a vibration eigenform. In this case, it is particularly favorable if the actuators are mounted on the car body in the vicinity of the maximum deviation in curvature of a vibration eigenform; Curvature deviation is understood to mean the difference in curvature in comparison to the corresponding oscillation eigenform of a standard car body (simple box shape without recesses for doors, windows, etc.). When selecting the actuator type, only those vibration eigenmodes that are located in the lower frequency range must be taken into account. Which forms of vibration these are can be determined from a simulation. The number of vibration eigenmodes considered can, for example, be determined in such a way that the lower N vibration eigenmodes are used when N actuators are used, or the vibration eigenfors below a cutoff frequency are selected; as cut-off frequency, here e.g. 8-10 Hz are used.
Eine andere Vorschrift zur Auswahl der Aktorenorte besteht darin, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung einer für die Form einer Schwingungseigenform relevanten Strukturschwächung angebracht werden. Hierunter sind solche Strukturschwächungen wie Türen oder Fenster in dem Wagenkasten zu verstehen, durch die die Gestalt einer Schwin¬ gungseigenform geändert wird (ohne dass dies durch Kompensationsmaßnahmen wie z.B. ein Verstärkungselement, wie z.B. ein Verstärkungsrahmen, ausgeglichen würde). Als Umgebung gilt z.B. ein Bereich um die jeweils betrachtete Strukturschwächung (bzw. Mo- dendeformation), der der halben Ausdehnung der Strukturschwächung (Modendeformati¬ on) entspricht (effektiver Radius).Another rule for selecting the type of actuator is that the actuators are mounted on the car body in the vicinity of a structure weakening relevant to the shape of a vibration eigenform. These are to be understood as structural weakenings such as doors or windows in the vehicle body, by means of which the shape of a vibration shape is changed (without being compensated for by compensating measures, such as a reinforcing element, such as a reinforcing frame). The environment is e.g. an area around the respectively considered structural weakening (or model deformation) which corresponds to half the extent of the structural weakening (modal deformation) (effective radius).
Vorzugsweise stellen die charakteristischen Größen einen Zustandsvektor dar, der sich auf den Deformationszustand hinsichtlich Schwingungseigenformen des Wagenkastens bezieht, hi einem solchen Zustandsvektor können sowohl Auslenkungen als auch deren zeitliche Änderungen (Geschwindigkeiten) enthalten sein, die eine vollständige Beschreibung des momentanen Deformationszustands liefern können, zumindest was die unteren Schwin- gungseigenformen betrifft. - -Preferably, the characteristic quantities represent a state vector relating to the deformation state with respect to the vehicle body's inherent vibration modes; such a state vector may include both displacements and their temporal changes (velocities) which can provide a complete description of the instantaneous state of deformation, at least concerns the lower vibrational forms. - -
Eine besonders günstige Variante der Erfindung besteht darin, dass die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen ausschließlich aus den Sensormesssignalen und vorgebbaren Sollgrößen nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet. In einer anderen vorteilhaften Variante kann die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen mittels einer Beobachter¬ schätzung ableiten. Hierbei kann die Beobachterschätzung als LQ-Beobachter realisiert sein, der sich durch besondere Robustheit auszeichnet.A particularly favorable variant of the invention consists in that the control device calculates the characteristic variables exclusively from the sensor measurement signals and predefinable set values according to a predetermined algorithm. In another advantageous variant, the control device can derive the characteristic quantities by means of an observer estimate. In this case, the observer estimate can be realized as an LQ observer who is characterized by particular robustness.
Die Erfindung eignet sich besonders für ein Schienenfahrzeug mit einer Anzahl von Senso¬ ren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem zur aktiven Schwingungsreduktion.The invention is particularly suitable for a rail vehicle with a number of sensors for measuring deformations of the rail vehicle and a number of actuators for generating restoring forces and / or adjusting torques on the rail vehicle and with a control system according to the invention for active vibration reduction.
Die oben gestellte Aufgabe wird gleichfalls von einer Regeleinrichtung zur aktiven Schwin¬ gungsreduktion in einem Schienenfahrzeug gelöst, welche dazu eingerichtet ist, in Zusam¬ menwirken mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienen¬ fahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stell¬ momenten am Schienenfahrzeug a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten, wobei die Regeleinrichtung, ausgehend von der Voraussetzung, dass die Aktoren aus¬ schließlich an Befestigungsstellen des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind, außerdem eingerichtet ist, in Schritt b) aus dem Sensormesssignalen charakteristische Grö¬ ßen abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigen¬ formen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen zu berechnen.The above object is likewise achieved by a control device for active vibration reduction in a rail vehicle, which is set up in cooperation with a number of sensors for measuring deformations of the rail vehicle and a number of actuators for generating restoring forces and / or Stell¬ moments on the rail vehicle a) receive measurement signals from the sensors, b) from the sensor measurement signals to calculate a set of manipulated variables, and c) the control variables corresponding control signals to the actuators, the control device, based on the assumption that the Actuators are aus¬ finally attached to attachment points of the car body of the rail vehicle, is also arranged to derive in step b) from the sensor measurement signals Sizes that relate to elastic deformations in terms of Schwingungseigen¬ the car body, and on the basis of this char akteristischen sizes to calculate the manipulated variables.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung wurden im Zusam¬ menhang mit dem erfindungsgemäßen Regelsystem besprochen.Advantageous developments of the control device according to the invention have been discussed in connection with the control system according to the invention.
Die Erfindung samt weiterer Vorzüge wird im Folgenden anhand eines nicht einschränken¬ den Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Die Zeichnungen zeigenThe invention together with further advantages will be explained in more detail below with reference to a non-limiting embodiment, which is illustrated in the accompanying drawings. The drawings show
Big. 1 einen Metro-Wagen mit einem erfindungsgemäßen Regelsystem;Big. 1 shows a metro car with a control system according to the invention;
Fig. 2 die Anbringung von Aktoren am Wagenkasten des Wagens der Fig. 1; Fig. 3 eine Befestigungskonsole eines Aktors; - -Fig. 2 the attachment of actuators on the car body of the carriage of Fig. 1; 3 shows a mounting bracket of an actuator. - -
Fig.4 die erste vertikale Biegeeigenform als ein Beispiel für eine Schwingungseigen¬ form; und4 shows the first vertical bending shape as an example of a vibration eigenfig; and
Fig.5 die Struktur des Regelkreises.5 shows the structure of the control loop.
Das Ausführungsbeispiel betrifft die aktive Schwingungsreduktion an einem U-Bahn- Wagen. Da die Implementierung der Schwingungsreduktion, einschließlich der Bestimmung der Regelparameter und der Ort der Aktoren und Sensoren, auf einer Analyse der Schwin¬ gungseigenmoden des Wagens unter Verwendung einer Simulation beruht und die durch die Erfindung erreichbare Verbesserung der Schwingungseigenschaften in eingehenden Simulationen untersucht wurde, werden im Folgenden auch die Schwingungs-Simulation samt der wesentlichen zugrunde liegenden Simulationsmodelle beschrieben.The embodiment relates to the active vibration reduction on a subway car. Since the implementation of the vibration reduction, including the determination of the control parameters and the location of the actuators and sensors, based on an analysis of Schwin¬ own geodesic modes of the car using a simulation and the achievable by the invention improvement of the vibration characteristics was studied in detailed simulations, are in The following also describes the vibration simulation together with the essential underlying simulation models.
1. Übersicht1. Overview
Fig. 1 zeigt einen Wagen UBW einer U-Bahn („Metro") mit einem erfindungsgemäßen Regel¬ system zur aktiven Schwingungsreduktion, wobei die Positionen von sechs Aktor/Sensor- Paaren ASl, AS2, AS3, AS4, AS5, AS6 ersichtlich sind, ebenso ein Schaltschrank REK mit einer Datenverarbeitungsanlage, die eine Regeleinrichtung im Sinne der Erfindung darstellt, Treibern sowie der zugehörenden Energieversorgung.1 shows a trolley UBW of a subway ("Metro") with a control system according to the invention for active vibration reduction, wherein the positions of six actuator / sensor pairs AS1, AS2, AS3, AS4, AS5, AS6 are visible, Likewise, a control cabinet REK with a data processing system, which is a control device in the context of the invention, drivers and the associated power supply.
Wie bereits eingangs erläutert sollen im Besonderen die niedrigsten Strukturschwingungen des Wagenkastens WGK direkt an der elastischen Struktur gedämpft werden und dadurch den Fahrkomfort für die Passagiere erhöhen. Die Messung und Beeinflussung der auftreten¬ den Schwingungen erfolgt mittels der Sensoren und Aktoren AS1-AS6.As already explained at the outset, in particular the lowest structural vibrations of the car body WGK are to be damped directly on the elastic structure and thereby increase the ride comfort for the passengers. The measurement and influencing of the oscillations occurs by means of the sensors and actuators AS1-AS6.
Eine der Herausforderungen beim vorliegenden System ist, dass die Regelstrecke nicht klassisch als eindeutige Schnittstelle zwischen zwei starren Körpern definiert ist, sondern als Kontinuum, nämlich als elastische Wagenkastenstruktur, vorliegt. Damit ist die Anbringung von Aktoren und Sensoren prinzipiell an jedem Ort entlang der elastischen Struktur mög¬ lich; jedoch leuchtet ein, dass die Effizienz nicht an jedem Ort in gleichem Maß gegeben ist. Auch ist die Anzahl der eingesetzten Sensoren und Aktoren prinzipiell frei wählbar, über die Simulation wird ein wirtschaftlich vertretbares Maß an Aufwand und Effekt gefunden.One of the challenges of the present system is that the controlled system is not classically defined as a clear interface between two rigid bodies, but is present as a continuum, namely as an elastic body structure. In principle, the attachment of actuators and sensors is possible at any location along the elastic structure; however, it is clear that efficiency is not the same everywhere. In principle, the number of sensors and actuators used can in principle be freely selected; an economically justifiable degree of effort and effect is found via the simulation.
Gemäß der Erfindung sind die Aktoren und Sensoren am Wagenkasten WGK angeordnet - im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen, bei denen Elemente zur Schwingungsreduktion am Fahrgestell FGL oder zwischen Fahrgestell und dem Wagenkasten angebracht sind. Wie in Fig. 2 (einem Ausschnitt der Fig. 1) am Beispiel zweier Aktoren AKl, AK2 gezeigt können die Aktoren an der Unterseite des Wagenkastens, und zwar am Längsträger LGT des Wa¬ genkasten-Untergestells angebracht sein. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 sind - -According to the invention, the actuators and sensors are arranged on the car body WGK - in contrast to previous approaches, in which elements for vibration reduction on the chassis FGL or between the chassis and the car body are mounted. As shown in FIG. 2 (a section of FIG. 1) using the example of two actuators AK1, AK2, the actuators can be mounted on the underside of the car body, namely on the longitudinal member LGT of the carcass undercarriage. In the embodiment of Figs. 1 and 2 are - -
die Aktoren sämtlich parallel zur Längsrichtung des Wagens UBW angeordnet; darüber hinaus sind die Aktoren eines Aktorpaares einander gegenüber an den beiden Längsträgern angeordnet, während die Aktoren einer Seite in einer Reihe hintereinander stehen. Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen von Aktoren möglich beispielsweise können alle oder einzelne Aktoren quer zur Längsrichtung am Längsträger oder Quer¬ streben vorgesehen sein.the actuators are all arranged parallel to the longitudinal direction of the carriage UBW; In addition, the actuators of a Aktorpaares are arranged opposite each other on the two side rails, while the actuators of a page in a row behind each other. Of course, other arrangements of actuators are possible, for example, all or individual actuators transverse to the longitudinal direction on the side member or Quer¬ striving be provided.
Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel dienen die Aktoren zugleich als Sensoren. Über elektri¬ sche Versorgungsleitungen VL sind sie mit der Regeleinrichtung verbunden, die zugleich die Steuerspannungen für die Aktoren liefert und die Sensormesssignale entgegennimmt.In the exemplary embodiment shown, the actuators also serve as sensors. Via electrical supply lines VL they are connected to the control device, which at the same time supplies the control voltages for the actuators and receives the sensor measurement signals.
Fig. 3 zeigt die Befestigungskonsole BEK für den Aktor AKl in Detail, und zwar Fig. 3a in Seitenansicht und Fig. 3b in Vorderansicht. Der Aktor AKl ist ein piezoelektrischer Stapel- Axialaktor, dessen beide Endstücke mittels Bolzen BLZ in den Wangen BEW der Konsole BEK gelagert ist. Über diese Lagerung kann der Aktor AKl Zug- und Druckkräfte einbrin¬ gen und so ein lokales Biegemoment über eine lokale Kompression bzw. Dehnung am Untergestell bewirken.Fig. 3 shows the mounting bracket BEK for the actuator AKl in detail, namely Fig. 3a in side view and Fig. 3b in front view. The actuator AKl is a piezoelectric stacking axial actuator, whose two end pieces are mounted by means of bolts BLZ in the cheeks BEW console BEK. The actuator AK1 can apply tensile and compressive forces via this mounting and thus bring about a local bending moment via a local compression or expansion on the underframe.
Daneben sind natürlich auch vielfältige andere Aktoren/ Sensorengeometrien einsetzbar. Ein Beispiel unter vielen ist ein Biegeaktor, der als sogenannter Patch-Aktor flächig auf eine Trägerfläche, z.B. eine Unterseite oder Seitenfläche eines Längsträgers, aufgeklebt wird, um dort kontrolliert Biegemomente einzuprägen.In addition, of course, a variety of other actuators / sensor geometries can be used. An example among many is a bending actuator which, as a so-called patch actuator, extends flatly onto a support surface, e.g. a bottom side or side surface of a longitudinal member is glued to impress there controlled bending moments.
2. Simulation2. Simulation
Für die Implementation und Simulation des hier dargestellten Schwingungsreduktions- systems wird ein geeignetes Mehrkörperdynamiksystem(MKS)-Programm verwendet, beispielsweise das SIMPACK-Paket (ein von der Firma Intec vertriebenes, kommerzielles MKS-Prograrnmpaket). Die Berechnung der Bewegung eines Punktes des flexiblen Wagen¬ kastens erfolgt dabei mit der Methode des bewegten Bezugssystems. Dem gemäß wird die Bewegung des Punktes zusammengesetzt aus einer beliebig großen Bewegung eines dem Körper zugeordneten Bezugskoordinatensystems und einer kleinen Verformung, der Bewe¬ gung des Punktes relativ zu diesem Bezugssystem. Die Verformung u(R,f) wird durch einen Ritzschen Ansatz der Form u(R,f) = Φ(R)q(£) dargestellt, wobei als Ansatzfunktionen Eigenformen des Wagenkastens ergänzt durch zusätzliche Ansatzfunktionen (sogenannte 'Frequency Response Modes', FRMs) verwendet werden. Die Multiplikatoren q werden als Modalkoordinaten bezeichnet. Die Bewegungsgleichung eines flexiblen Körpers (ohne Starrkörperfreiheitsgrade) ergibt sich dann zuFor the implementation and simulation of the vibration reduction system shown here, a suitable multi-body dynamics system (MBS) program is used, for example the SIMPACK package (a commercial MKS programmer package sold by Intec). The calculation of the movement of a point of the flexible Wagen¬ box is carried out using the method of moving reference frame. Accordingly, the movement of the point is composed of an arbitrarily large movement of a reference coordinate system associated with the body and a small deformation, the movement of the point relative to this reference system. The deformation u (R, f) is represented by a Ritz's approach of the form u (R, f) = Φ (R) q (£), where eigenmodes of the car body are complemented by additional starting functions (so-called 'Frequency Response Modes'). FRMs) can be used. The multipliers q are called mod coordinates. The equation of motion of a flexible body (without rigid body degrees of freedom) is then given
Meeq + Deeq + IQeq = ΦFfc . (2.1) Die modale Masseranatrix Mee und die modale Steifigkeitsmatrix K66 erhält man dann aus der Massen- und Steifigkeitsmatrix M und K des Bauteils mit Hilfe der Ansatzfunktionen Φ durch die Transformation M« = Φ7MΦ und K^ = φϊKΦ . Dee bezeichnet die modal trans¬ formierte Dämpfungsmatrix.M ee q + D ee q + IQ e q = φF fc . (2.1) The modal mass matrix M ee and the modal stiffness matrix K 66 are then obtained from the mass and stiffness matrix M and K of the component with the aid of the seed functions Φ by the transformation M «= Φ 7 MΦ and K ^ = φ ϊ KΦ. D ee denotes the modally transformed attenuation matrix.
Die Reglerauslegung geschieht durch Transformation der zu regelnden Struktur in den modalen Zustandsraum und durch Analyse der damit erhaltenen Systemgleichungen. Das System wird dabei in der FormThe controller design is done by transforming the structure to be controlled into the modal state space and by analyzing the system equations obtained with it. The system is doing in the form
x= Ax + Bu y = Ax + Bu (2.2)x = Ax + Buy = Ax + Bu (2.2)
dargestellt. Dabei wird A als Systemmatrix, B als Steuermatrix, C als Beobachtungsmatrix und D als Durchgangsmatrix bezeichnet, x wird als Zustandsvektor des Systems bezeichnet. Als Zustandsvektor werden die Modalkoordinaten und ihre Ableitungen gewählt. Es gilt dann x = (q q)τ . Die Systemmatrix ergibt sich dann zushown. Here, A is referred to as a system matrix, B as a control matrix, C as an observation matrix and D as a passage matrix, x is referred to as the state vector of the system. As state vector, the modal coordinates and their derivatives are chosen. It then holds x = (qq) τ . The system matrix then becomes too
A = 0 E (2.3)A = 0 E (2.3)
L -M^-1IQ6 -Mee 4Dβ L -M ^ - 1 IQ 6 -M ee 4 D β
Die Steuermatrix B beschreibt den Einfluss des Eingangsvektors u auf das System. In dem hier betrachteten Anwendungsfall entspricht der Eingangsvektor die an die Piezoaktoren angelegten Steuerspannungen; die Steuermatrix berechnet sich folglich aus den Kennwerten der Piezoaktoren. Die Beobachtungsmatrix C beschreibt den Zusammenhang zwischen dem Zustandsvektor des Systems und den Sensorausgangssignalen. Die Durchgangsmatrix D beschreibt eine etwaige Rückwirkung des Eingangsvektors auf den Ausgangsvektor y (z.B. bei gleichzeitiger Verwendung eines Piezoelements als Aktor und Sensor). Die so erhaltene Systembeschreibung wird dann zur Reglerauslegung verwendet (siehe Abschnitt 4).The control matrix B describes the influence of the input vector u on the system. In the application case considered here, the input vector corresponds to the control voltages applied to the piezoactuators; Consequently, the control matrix is calculated from the characteristics of the piezo actuators. The observation matrix C describes the relationship between the state vector of the system and the sensor output signals. The pass-through matrix D describes a possible reaction of the input vector on the output vector y (for example, with the simultaneous use of a piezoelement as actuator and sensor). The resulting system description is then used for the controller design (see section 4).
Zur Erprobung des Verfahrens wurde zunächst die Schwingungsreduktion einfacher Bal¬ kenstrukturen und danach ein vereinfachtes Modell eines Schienenfahrzeugs, wobei der flexible Wagenkasten stark vereinfacht als Balkenstruktur dargestellt wird, untersucht. Zuletzt wurde die aktive Schwingungsreduktion am komplexen Simulationsmodell eines real ausgeführten Schienenfahrzeugs erprobt. Dabei wird durch die aktive Schwingungsre¬ duktion die Dämpfung der ersten vertikalen Biegeeigenfrequenz, der Querverziehung und der ersten Torsionseigenfrequenz des Wagenkastens erhöht. Diese drei Eigenfrequenzen werden ausgewählt, da ihr Einfluss auf den Fahrkomfort relativ groß ist. Um die prinzipiel¬ len Verbesserungspotentiale einer aktiven Schwingungsreduktion auszuloten, wird die Fahrt dieses Fahrzeugs auf einer Strecke mit Gleislagefehlern simuliert. Zur Beurteilung des Fahrkomforts werden die nach ISO 2631 komfortbewerteten Vertikalbeschleunigungen an einzelnen Messpunkten herangezogen und mit einem. Fahrzeug ohne aktive Schwingungs¬ reduktion verglichen.In order to test the method, the oscillation reduction of simple beam structures and then a simplified model of a rail vehicle, whereby the flexible vehicle body is represented in a greatly simplified form as a beam structure, were examined first. Most recently, the active vibration reduction was tested on the complex simulation model of a real rail vehicle. In this case, the damping of the first vertical bending natural frequency, the transverse distortion and the first torsional natural frequency of the car body is increased by the active vibration reduction. These three natural frequencies are selected because their influence on ride comfort is relatively large. In order to sound out the principle improvement potentials of an active vibration reduction, the travel of this vehicle is simulated on a track with track position errors. To assess the ride comfort, the vertical accelerations that are rated comfort to ISO 2631 are used used individual measuring points and with a. Vehicle compared without active Schwingungs¬ reduction.
Das Resultat dieser Simulationen zeigt, dass prinzipiell ein beträchtliches Verbesserungspo¬ tential durch die aktive Schwingungsreduktion vorhanden ist. So werden durchwegs deutli¬ che Reduktionen der komfortbewerteten Vertikalbeschleunigungen erzielt, an einzelnen Punkten kommt es sogar zu einer Reduktion von mehr als 30%. In einem weiteren Schritt wird das Verhalten der verwendeten modellbasierten Regler bei Modellabweichungen untersucht. Dabei zeigt sich, dass eine gute Robustheit gegenüber Modellabweichungen vorhanden ist.The result of these simulations shows that, in principle, there is a considerable potential for improvement due to the active vibration reduction. Thus, significant reductions in comfort-valued vertical accelerations are achieved throughout; at individual points, there is even a reduction of more than 30%. In a further step, the behavior of the model-based controllers used for model deviations is examined. It shows that a good robustness against model deviations exists.
Im letzten Schritt dieser Untersuchungen wird noch die Auswirkung der aktiven Schwin¬ gungsreduktion auf die Entgleisungssicherheit untersucht. Es werden dabei der reguläre Betrieb des aktiven Schwingungsreduktionssystems und ein angenommener Störfall, der zu einer Anregung von Torsionseigenschwingungen des Wagenkastens führt, untersucht. Dabei können bei den hier überprüften Szenarien selbst im Störungsfall nur sehr geringe Rückwir¬ kungen auf die Entgleisungssicherheit festgestellt werden. Der Einfluss der aktiven Schwin¬ gungsreduktion auf die Fahrsicherheit und vor allem das Verhalten im Versagensfall er¬ scheint damit als erheblich günstiger als direkte Eingriffe am Fahrwerk. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass durch aktive Schwingungsreduktion von Wagenkastenstruk¬ turen beträchtliche Verbesserung des Fahrkomforts erzielt werden können.In the last step of these investigations, the effect of the active vibration reduction on the safety against derailment is examined. It will be the regular operation of the active vibration reduction system and an assumed accident, which leads to an excitation of torsional vibrations of the car body, examined. In the case of the scenarios examined here, only very small retroactive effects on the derailment safety can be found even in the event of a fault. The influence of active vibration reduction on driving safety and, above all, behavior in the event of a failure, thus appears to be considerably more favorable than direct intervention on the chassis. In summary, it can be stated that considerable improvement in ride comfort can be achieved by active vibration reduction of vehicle body structures.
3. Piezoelektrizität3. Piezoelectricity
Der Einsatz von Piezoelementen als Sensoren und Aktoren zur Schwingungsreduktion von Strukturen ist wohlbekannt, wobei man sich für den Aktor den indirekten, für Sensoren den direkten piezoelektrischen Effekt zunutze macht. Im Zusammenhang mit der aktiven Schwingungsreduktion an Schienenfahrzeugen bringt die Nutzung piezoelektrischer Kom¬ ponenten als Sensoren und/ oder Aktoren besondere Vorteile für die Realisierung der Erfin¬ dung.The use of piezoelectric elements as sensors and actuators for vibration reduction of structures is well known, making use of the indirect, for sensors the direct piezoelectric effect for the actuator. In connection with the active vibration reduction on rail vehicles, the use of piezoelectric components as sensors and / or actuators brings particular advantages for the realization of the invention.
Unter dem (direkten) piezoelektrischen Effekt versteht man die Eigenschaft bestimmter Kristalle unter Einwirkung einer äußeren Kraft eine elektrische Ladung zu produzieren. Entgegengesetzt dazu reagieren Werkstoffe mit piezoelektrischen Eigenschaften auf die Einwirkung eines elektrischen Felds mit einer Deformation (indirekter piezoelektrischer Effekt).By the (direct) piezoelectric effect is meant the property of certain crystals under the action of an external force to produce an electric charge. Conversely, materials with piezoelectric properties react to the action of an electric field with a deformation (indirect piezoelectric effect).
Das Aufbringen der Kräfte geschieht folgendermaßen: Wird an den Aktor eine Spannung (und damit ein elektrisches Feld) angelegt, so wird er einer Dehnung unterworfen. Wird diese Dehnung behindert, so übt er eine entsprechende Kraft aus. Die erzeugte Kraft nimmt also mit zunehmendem Weg ab; kann sich der Aktor frei bewegen, so wird keine Kraft mehr erzeugt.The forces are applied as follows: If a voltage (and thus an electric field) is applied to the actuator, it is subjected to an expansion. Becomes hinders this stretching, he exerts a corresponding force. The generated force thus decreases with increasing distance; If the actuator can move freely, no more force is generated.
Man unterscheidet Piezoaktoren in drei unterschiedliche Gruppen, nämlich Axialaktoren, Transversalaktoren sowie Biegeaktoren. Axial- und Transversalaktoren ermöglichen das Aufbringen großer Kräfte bei kleinen Verschiebungen, während Biegeaktoren für Anwen¬ dungen, bei denen große Wege bei kleineren Kräften erforderlich sind, geeignet sind. Da für die Schwingungsreduktion an großen Strukturen wie z. B. Schienenfahrzeug-Wagenkästen nur Aktoren in Frage kommen, die entsprechend große Kräfte aufbringen können, kommen für die Anwendung in erster Linie sogenannte Stapel- Aktoren in Frage.A distinction piezo actuators in three different groups, namely axial actuators, transversal actuators and bending actuators. Axial and transverse actuators allow the application of large forces with small displacements, while bending actuators are suitable for applications in which large paths are required for smaller forces. As for the vibration reduction on large structures such. B. rail car bodies come only actuators in question, which can muster correspondingly large forces, come for the application in the first place so-called stack actuators in question.
In real ausgeführten Aktoren wird nicht nur ein Piezoelement genutzt, da sehr große Bauteil¬ längen und damit hohe elektrische Spannungen erforderlich wären, um technisch nutzbare Verformungen zu erreichen. Daher werden in real ausgeführten Aktoren mehrere dünne Piezokeramikscheiben hintereinander verwendet. Solche Aktoren werden als Stapel- Aktoren bezeichnet. Durch Aufbau des Aktors aus dünnen Piezokeramikscheiben (typischer Weise ca. 0.3 bis 1 mm dick) ist eine Ansteuerung mit Spannungen in der Größenordnung von 100 V möglich. Aktoren dieser Art werden beispielsweise von der Firma Morgan Electro Ceramics (http : //inorganelectroceramics . com) angeboten; ein anderer Hersteller von Piezoelementen ist APC International Ltd. (http : / / americanpiezo . com). Da Piezokeramiken außerdem keinen großen Zugspannungen ausgesetzt werden sollten, werden Stapelaktoren häufig mit einer mechanischen Vorspannung versehen. Diese Vorspannkraft beträgt bei¬ spielsweise - um eine symmetrische Wirkung des Aktors für Zug/ Druck zu ermöglichen - bis zu 50% der Maximalkraft des Aktors.In actual actuators not only a piezo element is used, since very large Bauteil¬ lengths and thus high electrical voltages would be required to achieve technically usable deformations. Therefore, in real running actuators several thin piezoceramic disks are used one behind the other. Such actuators are referred to as stack actuators. By constructing the actuator from thin piezoceramic disks (typically approx. 0.3 to 1 mm thick), it is possible to control voltages of the order of 100V. Actuators of this kind are offered, for example, by Morgan Electro Ceramics (http://inorganelectroceramics.com); another manufacturer of piezo elements is APC International Ltd. (http://americanpiezo.com). In addition, since piezoceramics should not be subjected to high tensile stresses, stack actuators are often provided with a mechanical bias. This biasing force is spielsweise - to allow a symmetrical effect of the actuator for train / pressure - up to 50% of the maximum force of the actuator.
4. Regelungskonzepte zur aktiven Schwingungsreduktion4. Control concepts for active vibration reduction
Zur aktiven Schwingungsreduktion flexibler Strukturen werden in der Literatur zahlreiche Regelkonzepte vorgestellt. Im Folgenden wird auf (an sich bekannte) Konzepte wie die Zustandsrückführung und die LQ-Regelung eingegangen, da diese Verfahren - vor allem die Zustandsrückführung mit Pol-Vorgabe - eine anschauliche Interpretation der Wirkung der Regelung auf Eigenfrequenz und Dämpfung der Struktur ermöglicht und gleichzeitig günstige Methoden zur aktiven Schwingungsreduktion darstellen.Numerous control concepts are presented in the literature for active vibration reduction of flexible structures. In the following, concepts (known per se) such as the state feedback and the LQ control are discussed, since these methods - especially the state feedback with pole specification - allow a clear interpretation of the effect of the control on natural frequency and attenuation of the structure and at the same time favorable Represent methods for active vibration reduction.
Die hier gezeigten Regelungskonzepte können auch zur Funktions- und Anwendbarkeits¬ überprüfung eingesetzt werden. Es kann damit das mögliche Verbesserungspotential durch aktive Schwingungsreduktion sowie die Größenordnung der Stellkräfte abgeschätzt werden. - -The control concepts shown here can also be used to check the functionality and applicability. It can thus be estimated the potential for improvement by active vibration reduction and the magnitude of the restoring forces. - -
4.1 Zustandsrückführung mit Polvorgabe4.1 Status feedback with pole specification
Als Ausgangspunkt wird eine Regelstrecke in Zustandsraumdarstellung betrachtet, es wird aber davon ausgegangen, dass die Sensoren von den Aktoren getrennt sind und daher kein direkter Einfluss der Stellgröße auf das Sensorsignal vorhanden ist. Die Durchgangsmatrix D kann daher im. Folgenden weggelassen werden.As a starting point, a controlled system is considered in state space representation, but it is assumed that the sensors are separated from the actuators and therefore no direct influence of the manipulated variable is present on the sensor signal. The passage matrix D can therefore be in. Following are omitted.
x(i) = Ax(i) + Bu(f) (4.01) y(f) = Cx(O (4.02)x (i) = Ax (i) + Bu (f) (4.01) y (f) = Cx (O (4.02)
Ziel der Zustandsrückführung mit Polvorgabe ist es, eine Rückführmatrix K zur Berechnung der StellgrößeThe goal of the state feedback with pole specification is a feedback matrix K for the calculation of the manipulated variable
u(i) = -Kx(t) (4.03)u (i) = -Kx (t) (4.03)
• so zu wählen, dass die Systemmatrix A1 • to be chosen such that the system matrix A 1
A1 = A - BK (4.04)A 1 = A - BK (4.04)
des geschlossenen Regelkreisesof the closed loop
x = (A - BK)x (4.05)x = (A - BK) x (4.05)
vorgegebene Eigenwerte besitzt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass durch die Wahl der Eigenwerte ein exakt definierter, physikalisch interpretierbarer Einfluss auf das System genommen wird.has given eigenvalues. The advantage of this method is that by choosing the eigenvalues a precisely defined, physically interpretable influence on the system is taken.
Bei der Anwendung dieses Verfahrens zur aktiven Schwingungsreduktion kann damit für eine bestimmte Eigenfrequenz sowohl die Dämpfung bei dieser Eigenfrequenz erhöht werden, wie auch die Lage der Eigenfrequenz verschoben werden. Durch die Verschiebung der Eigenfrequenz kann das geregelte System „steifer" als das ungeregelte gemacht werden.When using this method for active vibration reduction so that both the attenuation at this natural frequency can be increased for a given natural frequency, as well as the position of the natural frequency are shifted. By shifting the natural frequency, the controlled system can be made "stiffer" than the unregulated one.
Um eine Zustandsrückführung realisieren zu können, muss das System steuerbar sein. Ist das System nicht steuerbar, muss die Anzahl der Aktoren erhöht oder ihre Position verän¬ dert werden.In order to realize a state feedback, the system must be controllable. If the system can not be controlled, the number of actuators must be increased or their position changed.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der Zustandsvektor x(i) des Systems bekannt sein muss. Dies ist aber bei der aktiven Schwingungsreduktion oft nicht der Fall. Bei der Anwendung der Zustandsrückführung mit Polvorgabe zur aktiven Schwingungsreduk¬ tion werden die Modalkoordinaten q und ihre Ableitungen q als Zustandsgrößen gewählt. Da diese Größen jedoch reine Rechengrößen darstellen, die physikalisch nicht messbar sind, - -The disadvantage of this method is that the state vector x (i) of the system must be known. However, this is often not the case with active vibration reduction. In the application of the state feedback with Polvorgabe for active Schwingungsreduk¬ tion the modal coordinates q and their derivatives q are selected as state variables. However, since these quantities represent pure arithmetic variables that are physically not measurable, - -
müssen sie zur Anwendung einer Rückführung aus den verfügbaren Messgrößen gewonnen werden. Dies geschieht durch einen Beobachter (siehe Abschnitt 4.3).they must be obtained for the application of a feedback from the available measurands. This is done by an observer (see section 4.3).
4.2 LQ-Regelung4.2 LQ regulation
Anders als bei der Zustandrückführung mit Polvorgabe wird hier die Rückführmatrix K unter Vorgabe von Gütekriterien für den Verlauf von Stell- und Regelgröße ermittelt. Dies wird durch Definition eines Gütefunktionais / als Maß für die Güte des Regelkreises erreicht.Unlike the state feedback with Polvorgabe here the feedback matrix K is determined under specification of quality criteria for the course of manipulated variable and controlled variable. This is achieved by defining a quality function / as a measure of the quality of the control loop.
Definiert man das Gütefunktional der FormDefining the quality function of the form
/ = or( x(f)τQx(i) + u(i)τRu(f) )ät (4.06)/ = o r (x (f) τ Qx (i) + u (i) τ Ru (f)) ät (4.06)
mit den symmetrischen, positiv definiten Wichtungsmatrizen Q und R , so führt dies unter Beachtung des Reglergesetzes für die Zustandsrückführung (4.03) zu einem Optimierungs¬ problem, nämlich nach dem Minimalwert des Gütefunktionais, min / [K]. Als Lösung dieses Problem lässt sich die Rückfuhrmatrix K für eine Regelstrecke mit der Beschreibung nach (6.01) in der folgenden Form berechnenwith the symmetric, positive-definite weighting matrices Q and R, this leads, under consideration of the governor law for the state feedback (4.03), to an optimization problem, namely according to the minimum value of the quality function, min / [K]. As a solution to this problem, the feedback matrix K for a controlled system described in (6.01) can be calculated in the following form
K = R-ißτp (4.09)K = R-iβτp (4.09)
Dabei stellt P die symmetrische, positiv definite Lösung der Matrix-Riccati Gleichung dar:Where P represents the symmetric, positive definite solution of the matrix-Riccati equation:
Aτp + PA - PBR-iBτp + Q = 0 (4.10)Aτp + PA - PBR- i Bτp + Q = 0 (4.10)
Da die Funktion / quadratisch und die Regelstrecke linear ist, wird diese Form der Regelung als linear-quadratische Regelung (LQ-Regelung) bezeichnet. Eine besondere Eigenschaft der LQ-Regelung ist bekanntermaßen ihre Robustheit gegenüber Modellunsicherheiten.Since the function / quadratic and the controlled system are linear, this form of control is called linear-quadratic control (LQ control). A special feature of the LQ control is known to be robust to model uncertainties.
4.3 Beobachter4.3 Observer
Bei realen technischen Systemen ist anstelle des vollständigen Zustandsvektors i. a. nur ein Ausgangsvektor y(t) messbar. Um dennoch eine Regelung mit Zustandsrückführung ver¬ wenden zu können, wird ein sogenannter Beobachter eingesetzt, der aus dem Ausgangsvek¬ tor den Zustandsvektor rekonstruiert. Um einen Beobachter realisieren zu können, muss die Beobachtbarkeit des Systems gewährleistet sein. Andernfalls muss die Anzahl oder Positio¬ nierung der Sensoren zur Messung von y(f) verändert werden.In real technical systems, instead of the complete state vector i. a. only one output vector y (t) can be measured. In order nevertheless to be able to use control with state feedback, a so-called observer is used which reconstructs the state vector from the output vector. In order to be able to realize an observer, the observability of the system must be guaranteed. Otherwise, the number or positioning of the sensors for measuring y (f) must be changed.
4.4 Luenberger-Beobachter4.4 Luenberger observers
Der Luenberger-Beobachter beruht auf einer Parallelschaltung des Regelstreckenmodells zur Regelstrecke mit einer Rückführung der Differenz y(£)-y(f) zwischen der realen Messgröße - -The Luenberger observer is based on a parallel connection of the controlled system model to the controlled system with a feedback of the difference y (ε) -y (f) between the real measured variable - -
y(t) und der aus der Rekonstruktion durch den Beobachter geschätzten Messgröße f(t) auf das Modell.y (t) and the measured variable f (t) estimated from the observer's reconstruction on the model.
Diese Rückführung wird genutzt, um den Zustand des Modells dem der Regelstrecke an¬ zugleichen, so wie in einem Regelkreis die Abweichung der Regelgröße von einem Sollwert rrdnirniert wird. Für den Schätzwert x des Zustandsvektors gilt damit die BeziehungThis feedback is used to equalize the state of the model with that of the controlled system, just as in a control circuit the deviation of the controlled variable from one setpoint is restricted. The relationship holds for the estimated value x of the state vector
St{t) = Ax(i) + Bu(f) + LC(x(t)-k{t)) (4.11)St {t) = Ax (i) + Bu (f) + LC (x (t) -k (t)) (4.11)
Führt man einen Beobachtungsfehler e(f) ein,If we introduce an observation error e (f),
e(t) = LC(x(i)-x(f)) (4.12)e (t) = LC (x (i) -x (f)) (4.12)
so gilt: Der Beobachtungsfehler klingt für beliebige Anfangszustände des Systems und des Beobachters genau dann ab (limt→∞ || e || = 0), wenn alle Eigenwerte der Matrix (A-LC) negativen Realteil haben.Thus, the observation error sounds for any initial states of the system and the observer if and only if (limt → ∞ || e || = 0), if all eigenvalues of the matrix (A-LC) have a negative real part.
Soll mit dem Beobachter eine Zustandsrückfuhrung mit der Rückführmatrix K realisiert werden, so wählt man die Eigenwerte des Beobachters so, dass der Betrag der Realteile des Beobachters etwa 2 bis 6 mal so groß ist wie der Betrag der Realteile des geschlossenen Regelkreises A-BK (d. h. dass der Beobachtungsfehler im Vergleich zum Streckenverhalten rasch abklingt).If a state feedback with the feedback matrix K is to be realized with the observer, the observer's eigenvalues are chosen such that the magnitude of the observer's real parts is approximately 2 to 6 times the magnitude of the real parts of the closed loop A-BK (ie that the observation error decays rapidly compared to the track behavior).
4.5 LQ-Beobachter4.5 LQ observers
Der LQ-Beobachter beruht auf der gleichen Struktur wie der Luenberger-Beobachter (4.11), allerdings wird die Rückführmatrix L auf andere Weise bestimmt. Das Auslegungsziel beim LQ-Beobachter ist, dass der mittlere quadratische Beobachtungsfehler möglichst klein ist. Dies führt auf eine die gleiche Aufgabenstellung wie beim Reglerentwurf mittels LQ- Regelung, die Rückführmatrix ergibt sich zuThe LQ observer is based on the same structure as the Luenberger observer (4.11), but the return matrix L is determined in a different way. The design goal of the LQ observer is that the mean square observation error is as small as possible. This leads to the same task as with the controller design by means of LQ control, the feedback matrix results
L = PCTR-i (4.13)L = PCTR-i (4.13)
wobei P wieder die positiv definite Lösung der Matrix-Riccati-Gleichung (4.10) ist. Die darin vorkommenden Matrizen sind auch in diesem Fall Q und R symmetrische, positiv definite Wichtungsmatrizen, die vor dem Entwurf gewählt werden. Der Vorteil des LQ-Beobachters gegenüber dem Luenberger-Beobachter liegt wieder, wie beim LQ-Regler, in der größeren Robustheit gegenüber Modellunsicherheiten. - -where P is again the positive definite solution of the matrix Riccati equation (4.10). The matrices occurring therein are also in this case Q and R symmetric positive definite weighting matrices chosen before the design. The advantage of the LQ observer over the Luenberger observer lies again, as with the LQ controller, in the greater robustness against model uncertainties. - -
5. Aktive Schwingungsreduktion eines Schienenfahrzeug- Wagenkastens5. Active vibration reduction of a rail car body
Nach der Erprobung der aktiven Schwingungsreduktion an einfachen Strukturen wird das Prinzip an einem Metro-Wagenkasten eines Wagens UBW der in Fig. 1 gezeigten Art ange¬ wendet. Der verwendete Wagenkasten WGK verfügt über je fünf Türöffnungen TRI, TR2, TR3, TR4, TR5 in jeder Seitenwand. Dadurch kommt es an diesen Stellen zu einer Schwä¬ chung der Struktur, die an einem „S-Schlag" der Eigenformen in diesem Bereich zu erkennen ist. Dies ist in Fig. 4 am Beispiel der ersten vertikalen Biegeigenform des Wagenkastens gezeigt; die Verformung ist besonders groß jeweils im Bereich der Türen TRI, TR2, TR4, TR5 (mit Ausnahme der mittleren Tür TR3, an deren Ort sich das Schwingungsmaximum befin¬ det). Zugrundegelegt wurden die Aktor/ Sensorpositionen AS1-AS6 wie in Fig. 1 gezeigt.After testing the active vibration reduction on simple structures, the principle is applied to a metro car body of a car UBW of the type shown in FIG. 1. The carbody WGK used has five door openings TRI, TR2, TR3, TR4, TR5 in each side wall. This results in a weakening of the structure at these points, which can be recognized by an "S-beat" of the mode shapes in this region.This is shown in Fig. 4 using the example of the first vertical bending shape of the carbody; particularly large in each case in the area of the doors TRI, TR2, TR4, TR5 (with the exception of the central door TR3, at whose location the oscillation maximum is located.) The actuator / sensor positions AS1-AS6 were based as shown in FIG.
5.1 Fahrzeugmodell5.1 vehicle model
Die Flexibilität des Wagenkastens wird durch einen Modalansatz berücksichtigt. Als Ansatz¬ funktionen kommen dabei die ersten 17 Eigenformen aus einer Finite-Elemente (FE) Berech¬ nung sowie 12 FRMs zur Berücksichtigung der lokalen Verformungen durch die Aktoren zur Anwendung. Für die Simulation des Gesamtfahrzeuges wird dieser Wagenkasten mit zwei Drehgestellen verbunden.The flexibility of the car body is taken into account through a modal approach. The first 17 eigenmodes from a finite element (FE) calculation and 12 FRMs for taking account of the local deformations by the actuators are used as the approach functions. For the simulation of the entire vehicle, this car body is connected to two bogies.
5.1.1 Aktormodellierung5.1.1 Actuator modeling
Als Aktoren werden zwölf Piezo-Stapelaktoren eingesetzt. Bei der Modellierung wird der von der Aktordehnung abhängige Anteil der wirkenden Kraft zur durch den piezoelektri¬ schen Effekt entstehenden Kraft addiert oder subtrahiert. Für die durch den piezoelektri¬ schen Effekt erzeugte Kraft wird wieder ein linearer Zusammenhang zwischen angelegter elektrischer Spannung und erzeugter Kraft angenommen.Actuators use twelve piezo stack actuators. In modeling, the portion of the acting force, which is dependent on the actor strain, is added or subtracted to the force resulting from the piezoelectric effect. For the force generated by the piezoelectric effect, a linear relationship between the applied electrical voltage and the generated force is again assumed.
Die Berücksichtigung der lokalen Verformung infolge der Aktorwirkung erfolgt wieder durch Berechnung von FRMs für die zwölf Aktoren.The consideration of the local deformation as a result of the actuator effect takes place again by calculating FRMs for the twelve actuators.
5.1.2 Sensormodellierung5.1.2 Sensor modeling
Als Sensoren sind zwölf Piezoelemente vorgesehen. Sie sind an den gleichen Stellen wie die Aktoren positioniert. Ihr Ausgangssignal ist proportional zur an ihrer Einbaustelle auftre¬ tenden Dehnung.As sensors twelve piezo elements are provided. They are positioned in the same places as the actuators. Their output signal is proportional to the auftre¬ at their installation point limiting strain.
5.1.3 Aktor- und Sensorplatzierung5.1.3 Actuator and sensor placement
Die Auswahl der Aktor- und Sensoreinbauorte erfolgt nach mehreren Kriterien: Erstens soll der Einbau an Orten erfolgen, an denen die zu regelnden Eigenformen möglichst große - -The selection of the actuator and sensor mounting locations is based on several criteria: First, the installation should be made in places where the eigenmodes to be controlled as large as possible - -
Dehnungen verursachen, um eine maximale Wirksamkeit zu gewährleisten. Weiters muss die Struktur an den Einbauorten die Einleitung der auftretenden Kräf te und Momente ohne Auftreten von Festigkeitsproblemen ermöglichen. Zuletzt muss auch noch geprüft werden, ob an den ausgewählten Positionen ein entsprechender Einbauraum vorhanden ist. Inner¬ halb dieser Grenzen ist aber zweifellos noch eine weitere regelungstechnische Positionsop¬ timierung möglich.Strain to ensure maximum effectiveness. Furthermore, the structure at the installation locations must enable the initiation of the occurring forces and moments without occurrence of strength problems. Finally, it must also be checked whether there is a corresponding installation space at the selected positions. Within these limits, however, it is undoubtedly possible to further optimize the position of the control technology.
Nach Prüfung dieser Kriterien wurden daher die Ränder der Türausschnitte der jeweils inneren drei Türen TR2-TR4 am unteren Langträger LGT als Einbauorte ausgewählt (Fig. 1).After examining these criteria, therefore, the edges of the door cutouts of the respective inner three doors TR2-TR4 on the lower longitudinal beam LGT were selected as installation locations (FIG. 1).
5.1.4 Verwendetes Regelkonzept5.1.4 Used control concept
Fig. 5 zeigt eine Darstellung der Struktur des Regelkreises, wobei der obere Teil den Wagen¬ kasten bzw. die Regelstrecke 51 repräsentiert, während der untere Teil durch die Regel¬ einrichtung 52 realisiert wird, die im Schaltschrank REK des erfindungsgemäßen Regelsys¬ tems lokalisiert ist.5 shows a representation of the structure of the control loop, wherein the upper part represents the Wagen¬ box or the controlled system 51, while the lower part is realized by the Regel¬ device 52 which is located in the control cabinet REK of the invention Regelsys¬ system ,
Die Regelstrecke 51 wird im hier betrachteten Beispiel durch den Wagenkasten WGK gebil¬ det. Zu Simulationszwecken kann dieser Teil auch nachmodelliert werden; dann wird, um eine Reglerauslegung zu ermöglichen, der Zusammenhang zwischen Eingangsgrößen u (hier die von den Aktoren auf die Struktur ausgeübten Kräfte bzw. die elektrischen Spannungen, mit der die Aktoren angesteuert werden) und Ausgangsgrößen y (Ausgangssignale der Sensoren) an dieser Regelstrecke durch ein mathematisches Modell beschrieben. Die Matrix Bw repräsentiert die Wirkung der Aktoren und gibt den Zusammenhang zwischen den Eingangsgrößen und den Zustandsgrößen, die Matrix Cw den Zusammenhang zwischen den Ausgangsgrößen y und den Zustandsgrößen an. Als Zustandsvektor x werden die Modalkoordinaten und ihre Ableitungen gewählt. Die Matrix Aw stellt die Systemmatrix (2.3) des Wagenkastens bzw. des simulierten physikalischen Systems dar.The controlled system 51 is formed by the car body WGK in the example considered here. For simulation purposes, this part can also be modeled; then, in order to enable a controller design, the relationship between input quantities u (here the forces exerted by the actuators on the structure or the electrical voltages with which the actuators are driven) and output values y (output signals of the sensors) on this controlled system described a mathematical model. The matrix Bw represents the effect of the actuators and indicates the relationship between the input variables and the state variables, the matrix Cw the relationship between the output variables y and the state variables. As state vector x, the modal coordinates and their derivatives are chosen. The matrix Aw represents the system matrix (2.3) of the car body or of the simulated physical system.
Aus diesen Ausgangssignalen werden mit Hilfe des Beobachters 521 die Zustandsgrößen rekonstruiert. Durch die Verwendung der Matrizen A, B, C im Beobachter gegenüber Aw, Bw, Cw bei der Regelstrecke soll angedeutet werden, dass das Modell, mit dem der Beobachter arbeitet, eine kleinere Dimension als die Regelstrecke aufweist. Der Grund dafür liegt darin, dass der Ansatz, der die Verformung als Linearkombination der einzelnen Eigenformen beschreibt, nur dann exakt ist, wenn alle (unendlich viele) Eigenformen ver¬ wendet werden; im Beobachter kann aber nur eine endliche Zahl von Eigenformen verwen¬ det werden, wobei man bemüht ist, diese Zahl möglichst klein zu halten.From these output signals, the state variables are reconstructed with the aid of the observer 521. The use of the matrices A, B, C in the observer with respect to Aw, Bw, Cw in the controlled system is intended to indicate that the model with which the observer operates has a smaller dimension than the controlled system. The reason for this is that the approach which describes the deformation as a linear combination of the individual eigenmodes is exact only if all (infinitely many) eigenmodes are used; in the observer, however, only a finite number of eigenmodes can be used, whereby it is endeavored to keep this number as small as possible.
Der Regler 522 selbst führt nur eine Matrixmultiplikation der (durch den Beobachter ge¬ schätzten) Zustandsgrößen x mit einer Rückführmatrix K durch. Bei der Rückführung in die Regelstrecke können außerdem gegebenenfalls Führungsgrößen w (Sollwerte) abgezogen werden.The controller 522 itself performs only a matrix multiplication of the state variables x (estimated by the observer) with a feedback matrix K. When returning to the In addition, control variables w (setpoints) can be deducted if necessary.
Es wird eine ZustandsrückfÜhrung mit Polvorgabe verwendet. Da vor allem die erste verti¬ kale Biegeeigenfrequenz, die erste Torsionseigenfrequenz sowie die Dachquerschwingung einen großen Einfluss auf den Fahrkomfort aufweisen, soll bei diesen drei Eigenfrequenzen die Dämpfung erhöht werden. Zusätzlich wird durch die Regelung auch die Dämpfung der FRMs erhöht, um eine Schwingungsanregung durch die von den Aktoren eingeleiteten Kräfte zu unterbinden. Durch die Regelung wird die Dämpfung bei den geregelten Frequen¬ zen von der Strukturdämpfung von 2% auf 30% angehoben.A state feedback with pole specification is used. Since above all the first verti¬ kale natural bending frequency, the first torsion natural frequency and the roof transverse vibration have a great influence on the ride comfort, the damping should be increased at these three natural frequencies. In addition, the regulation also increases the damping of the FRMs in order to prevent vibration excitation by the forces introduced by the actuators. As a result of the regulation, the attenuation in the regulated frequencies is increased from the structural damping of 2% to 30%.
Zur Rekonstruktion der als Zustandsgrößen gewählten Modalkoordinaten wird ein Beobach¬ ter eingesetzt. Da der Luenberger-Beobachter nicht die erforderliche Robustheit aufweist, wird ein LQ-Beobachter eingesetzt.An observer is used to reconstruct the modal coordinates selected as state variables. Since the Luenberger observer does not have the required robustness, an LQ observer is used.
Zum Vergleich wurde auch eine Zustandsrückführung ohne Beobachter realisiert. Dies kann nur in einer Simulation durchgeführt werden, da hier direkt auf die als Zustandsgrößen gewählten, physikalisch nicht messbaren, Modalkoordinaten zugegriffen werden kann.For comparison, a state feedback without observer was realized. This can only be done in a simulation since it is possible to directly access the physically non-measurable, modal coordinates selected as state variables.
Zur weiteren Annäherung eines realistischen Regelsystems werden die Sensorsignale durch einen Tiefpass-Filter mit einer Grenzfrequenz von 190 Hz (Filterung hochfrequenter Störun¬ gen) und die rekonstruierten Zustandsgrößen mit einem Hochpass-Filter mit einer Grenzfre¬ quenz von 6.7 Hz (Filterung der statischen Verformung) verändert.To further approximate a realistic control system, the sensor signals are detected by a low-pass filter with a cut-off frequency of 190 Hz (filtering of high-frequency interferences) and the reconstructed state variables with a high-pass filter with a cut-off frequency of 6.7 Hz (filtering of the static deformation). changed.
Es sei angemerkt, dass eine Prüfung, ob eine Regeleinrichtung ein Modalmodell gemäß der Erfindung enthält, auch ohne Eingriff in die Regeleinrichtung durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann die Regeleinrichtung 52 als geschlossenes Bauteil dem Regelkreis ent¬ nommen werden (d.h. die Anschlüsse zu den Aktoren und Sensoren werden vorübergehend getrennt), und das Übertragungsverhalten wird mit bekannten Methoden der Systemidenti¬ fikation überprüft. Auf diese Weise kann das Verhalten des Reglers bestimmt werden; wenn das so gefundene Reglerverhalten die Eigenfrequenzen der Struktur spezifisch bedämpft, muss dem Entwurf des Reglers ein Modalmodell zugrunde liegen.It should be noted that a check whether a control device contains a modal model according to the invention can also be carried out without intervention in the control device. For example, the control device 52 can be taken as a closed component from the control loop (i.e., the connections to the actuators and sensors are temporarily disconnected), and the transmission behavior is checked by known methods of system identification. In this way, the behavior of the controller can be determined; If the controller behavior thus found specifically attenuates the natural frequencies of the structure, the design of the controller must be based on a modal model.
5.2 Simulationsergebnisse5.2 Simulation results
Zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit der Erfindung wurden zwei unterschiedlich Szena¬ rien simuliert: Im ersten Fall erfolgte die Schwingungsanregung des Wagenkastens allein durch Einleitung von Kräften an den Sekundärfederanlenkpunkten. Im zweiten Fall wurde der Wagenkasten mit den zugehörigen Drehgestellen verbunden und die Fahrt auf einer vorgegebenen Strecke simuliert. Die Krafteinleitung erfolgte daher nicht nur an den - -To test the performance of the invention, two different scenarios were simulated: In the first case, the vibration excitation of the car body was carried out solely by introducing forces at the secondary spring connection points. In the second case, the car body was connected to the associated bogies and simulated the ride on a predetermined route. The force was therefore not only to the - -
Sekundä^federarüenkpunkten, sondern auch an den Befestigungspunkten von Querdämp¬ fern, Wankstabilisator und Längsmitnahme.Sekundä ^ Federarüenkpunkten, but also at the attachment points of Querdämp¬ fern, roll stabilizer and Längsmitnahme.
Die angeregten Schwingungsformen entsprachen (i) der ersten Biegeeigenform und (ii) der ersten Torsionseigenform. Die Schwingungsanregung erfolgte durch eine stochastische Kraft F(t) , die an den insgesamt vier Anlenkpunkten der Sekundärfedern unter dem Fahrzeugbo¬ den (zwei unter dem Hinterrand der vordersten Türen TRI, zwei knapp vor den hintersten Türen TR5) eingeleitet wurde. Um die Filterung einer Gleislagestörung durch Primär- und Sekundärstufe der Drehgestelle näherungsweise abzubilden, wurde ein stochastisch.es Signal („weißes Rauschen") durch einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz von 10 Hz gefiltert, bevor es an der Struktur als Kraft aufgebracht wird. Dabei war der Zeitverlauf der am zweiten Drehgestell aufgebrachten Kräfte gleich dem Zeitverlauf der am ersten Drehgestell aufgebrachten Kräfte, aber mit einer Verzögerung um die Zeitspanne U • Auf diese Weise wurde die bei einer Fahrt des Fahrzeugs auf einer Strecke auftretende Verzögerung zwi¬ schen dem Passieren einer Störung durch das vordere und dem Passieren durch das hintere Drehgestell nachgebildet.The excited modes corresponded to (i) the first bending mode and (ii) the first torsional form. The oscillation excitation was carried out by a stochastic force F (t), which was initiated at the four pivot points of the secondary springs under the vehicle floor (two under the rear edge of the foremost doors TRI, two just before the rearmost doors TR5). In order to approximate the filtering of trackside interference by the primary and secondary stages of the bogies, a stochastic signal ("white noise") was filtered through a low pass filter with a cutoff frequency of 10 Hz before being applied to the structure as a force the time course of the forces applied to the second bogie equal to the time course of the forces applied to the first bogie, but with a delay by the time period U • In this way, the delay occurring in a journey of the vehicle on a route was between the passage of a fault the front and the passing through the rear bogie replicated.
In beiden Fällen erfolgt eine Auswertung durch Berechnung der auftretenden Vertikalbe¬ schleunigung an mehreren Messpunkten am Fahrzeugboden. Zur Auswertung wurden die Effektivwerte der auftretenden Vertikalbeschleunigungen an den Messpunkten berechnet. Es wurde ein Vergleich gezogen zwischen einem Wagenkasten ohne aktive Schwingungsreduk¬ tion und einer real ausführbaren Schwingungsreduktion mit LQ-Beobachter.In both cases, an evaluation is carried out by calculating the occurring vertical acceleration at a plurality of measuring points on the vehicle floor. For evaluation, the rms values of the occurring vertical accelerations at the measuring points were calculated. A comparison was drawn between a car body without active vibration reduction and a realizable vibration reduction with LQ observer.
Für den Fall der Biegeanregung ergab sich eine wesentliche Reduktion (um bis zu ca. 70%) der Vertikalbeschleunigungen, und zwar ließ sich (wie zu erwarten) die größte Verbesserung an den Messpunkten in der Mitte zwischen den Drehgestellen erzielen. Für die Torsionsan¬ regung ergaben sich ebenfalls deutliche Reduktionen (ca. 50%) an den vorderen und hinteren Messstellen; lediglich bei den Messstellen in der Fahrzeugmitte war die Schwingungsreduk¬ tion nur gering, was auf die Anregung von höheren Eigenfrequenzen zurückzuführen war. Insgesamt ergab sich eine signifikante Verbesserung des Schwingverhaltens durch das erfindungsgemäße Verfahren.In the case of bending excitation, there was a significant reduction (up to about 70%) in the vertical accelerations, which was (as expected) the greatest improvement in the mid-point points between the bogies. Significant reductions (about 50%) at the anterior and posterior measuring points also resulted for the torsion stimulus; only at the measuring points in the middle of the vehicle was the oscillation reduction only slight, which was due to the excitation of higher natural frequencies. Overall, there was a significant improvement in the vibration behavior by the inventive method.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel verwendet einen Beobachter, um die Größen des Zustandsvektors zu bestimmen. Lässt sich der Zustandsvektor mit ausreichender Si¬ cherheit aus den Messgrößen ableiten (z.B. durch geeignete Linearkombinationen), so kann auf den Beobachter verzichtet werden. Dies ist z.B. der Fall, wenn die Inverse O1 der Beo¬ bachtungsmatrix mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist. In diesem Fall kann der Beob¬ achter 521 in Fig. 1 durch diese Inverse C-1 ersetzt werden, somit werden die Stellgrößen u in der Regeleinrichtung 52 gemäß u = -Kx = -KC^y errechnet. - -The embodiment described above uses an observer to determine the sizes of the state vector. If the state vector can be derived from the measured variables with sufficient reliability (for example, by suitable linear combinations), then the observer can be dispensed with. This is the case, for example, if the inverse O 1 of the observation matrix is known with sufficient accuracy. In this case, the observer 521 in FIG. 1 can be replaced by this inverse C- 1 , thus the manipulated variables u in the control device 52 are calculated according to u = -Kx = -KC ^ y. - -
Ob in einem Reglerkonzept ein Beobachter implementiert ist, kann im Übrigen aufgrund der Anzahl und Anordnung der Sensoren und der Anzahl der bedämpften Moden geprüft werden. Ist die Anzahl der bedämpften Moden groß, lässt sich auf die Verwendung eines Beobachters rückschließen, da nur bei Verwendung eines Beobachters alle interessierenden Zustände aus einer kleineren Anzahl von Messungen geschätzt werden können, und damit die interessierenden Eigenmoden bedämpft werden können. Incidentally, whether an observer is implemented in a controller concept can be checked on the basis of the number and arrangement of the sensors and the number of attenuated modes. If the number of attenuated modes is large, the use of an observer can be inferred, since only with the use of an observer can all states of interest be estimated from a smaller number of measurements, and thus the intrinsic modes of interest can be attenuated.

Claims

- -PATENTANSPRÜCHE - PERSONAL CLAIMS
1. Regelsy stein zur aktiven Schwingungsreduktion an einem Schienenfahrzeug (JJBW), mit einer Anzahl von Sensoren (AS1-AS6) zum Messen von Deformationen des Schienenfahr¬ zeugs und einer Anzahl von Aktoren (ASl- AS6) zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie einer Regeleinrichtung (52), die dazu eingerich¬ tet ist, a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (AKl, AK2) ausschließlich an Befestigungsstellen (BEW) des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind und die Regeleinrichtung (52) dazu eingerichtet ist, in Schritt b) aus den Sensormesssignalen (y) charakteristische Größen (x) abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwingungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristi¬ schen Größen die Stellgrößen (u) zu berechnen.1. Regelsy stone for active vibration reduction on a rail vehicle (JJBW), with a number of sensors (AS1-AS6) for measuring deformations of Schienenfahr¬ zeugs and a number of actuators (ASl-AS6) for generating actuating forces and / or actuating torques on the rail vehicle and a control device (52) which is equipped to a) receive measurement signals from the sensors, b) to calculate a set of control values from the sensor measurement signals, and c) to supply actuating signals to the actuators corresponding to the control variables, characterized in that the actuators (AK1, AK2) are mounted exclusively on attachment points (BEW) of the railcar of the rail vehicle and the control device (52) is arranged to derive characteristic quantities (x) from the sensor measurement signals (y) in step b) relate elastic deformations with respect to the vibration eigenmodes of the car body, and on the basis of this characteristic size to calculate the manipulated variables s (u).
2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (AS1-AS6) am Wagenkasten angeordnet sind.2. Control system according to claim 1, characterized in that the sensors (AS1-AS6) are arranged on the car body.
3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Aktoren zusätzlich als Sensoren eingesetzt sind.3. Control system according to claim 1 or 2, characterized in that at least a part of the actuators are additionally used as sensors.
4. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren als Piezoaktoren, insbesondere Stapel-Piezoaktoren, realisiert sind.4. Control system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the actuators are implemented as piezoelectric actuators, in particular stacked piezoelectric actuators.
5. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren als Piezosensoren realisiert sind.5. Control system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensors are implemented as piezoelectric sensors.
6. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung der maximalen Deformation einer Schwin¬ gungseigenform angebracht sind. 6. Control system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the actuators are mounted on the car body in the vicinity of the maximum deformation of a Schwin¬ gungseigenform.
7. Regelsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren am Wagen¬ kasten in der Umgebung der maximalen Krümmungsabweichung einer Schwingungseigen¬ form angebracht sind.7. Control system according to claim 6, characterized in that the actuators are mounted on Wagen¬ box in the vicinity of the maximum curvature deviation of a Schwingungseigen¬ form.
8. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren am Wagenkasten in der Umgebung einer für die Form einer Schwingungseigenform relevanten Strukturschwächung angebracht sind.8. Control system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the actuators are mounted on the car body in the vicinity of a relevant for the shape of a vibration characteristic structure weakening.
9. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Größen einen Zustandsvektor (x) darstellen, der sich auf den Deformati¬ onszustand hinsichtlich Schwingungseigenformen des Wagenkastens bezieht.9. Control system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the characteristic variables represent a state vector (x), which refers to the state of deformation in terms of natural vibration forms of the car body.
10. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel¬ einrichtung die charakteristischen Größen ausschließlich aus den Sensormesssignalen (y) und vorgebbaren Sollgrößen (w) nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet.10. Control system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the Regel¬ device calculates the characteristic quantities exclusively from the sensor measurement signals (y) and predetermined desired values (w) according to a predetermined algorithm.
11. Regelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die charakteristischen Größen mittels einer Beobachterschätzung (521) ableitet.11. Control system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the control device derives the characteristic quantities by means of an observer estimate (521).
12. Regelsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachterschätzung als LQ-Beobachter realisiert ist.12. Control system according to claim 11, characterized in that the observer estimate is realized as an LQ observer.
13. Schienenfahrzeug mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/ oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug sowie mit einem Regelsystem zur aktiven Schwin¬ gungsreduktion nach einem der Ansprüche 1 bis 12.13. Rail vehicle having a number of sensors for measuring deformations of the rail vehicle and a number of actuators for generating restoring forces and / or adjusting torques on the rail vehicle, and with a control system for active vibration reduction according to one of claims 1 to 12.
14. Regeleinrichtung (REK) zur aktiven Schwingungsreduktion in einem Schienenfahrzeug, welche dazu eingerichtet ist, in zusammenwirken mit einer Anzahl von Sensoren zum Messen von Deformationen des Schienenfahrzeugs und einer Anzahl von Aktoren zum Erzeugen von Stellkräften und/oder Stellmomenten am Schienenfahrzeug a) Messsignale von den Sensoren entgegenzunehmen, b) aus den Sensormesssignalen einen Satz von Stellgrößen zu berechnen, und c) den Stellgrößen entsprechende Stellsignale den Aktoren zuzuleiten, dadurch gekennzeichnet, dass - -14. A control device (REK) for active vibration reduction in a rail vehicle, which is arranged, in cooperation with a number of sensors for measuring deformations of the rail vehicle and a number of actuators for generating restoring forces and / or control torques on the rail vehicle a) measuring signals from to receive the sensors, b) to calculate a set of manipulated variables from the sensor measurement signals, and c) to supply actuating signals corresponding to the manipulated variables to the actuators, characterized in that - -
ausgehend von der Voraussetzimg, dass die Aktoren (AKl, AK2) ausschließlich an Befesti¬ gungsstellen (BEW) des Wagenkastens des Schienenfahrzeugs angebracht sind, die Regel¬ einrichtung dazu eingerichtet ist, in Schritt b) aus dem Sensormesssignalen (y) charakteristi¬ sche Größen (x) abzuleiten, die sich auf elastische Deformationen hinsichtlich der Schwin¬ gungseigenformen des Wagenkastens beziehen, und anhand dieser charakteristischen Größen die Stellgrößen (u) zu berechnen.Starting from the assumption that the actuators (AK1, AK2) are mounted exclusively on fastening points (BEW) of the car body of the rail vehicle, the control device is set up in step b) from the sensor measurement signals (y) characteristic variables (x) derive, which relate to elastic deformations in terms of Schwin¬ donated own forms of the car body, and to calculate the manipulated variables (u) on the basis of these characteristic variables.
15. Regeleinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristi¬ schen Größen einen Zustandsvektor (x) darstellen, der sich auf den Deformationszustand hinsichtlich Schwingungseigenformen des Wagenkastens bezieht.15. Control device according to claim 14, characterized in that the characteristic quantities represent a state vector (x), which relates to the state of deformation with regard to natural vibration forms of the car body.
16. Regeleinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die charakte¬ ristischen Größen ausschließlich aus den Sensormesssignalen (y) und vorgebbaren Sollgrö¬ ßen (w) nach einem vorgegebenen Algorithmus berechnet werden.16. Control device according to claim 14 or 15, characterized in that the characti ristic quantities exclusively from the sensor measurement signals (y) and predetermined Sollgrö¬ Shen (w) are calculated according to a predetermined algorithm.
17. Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die charakteristischen Größen mittels einer Beobachterschätzung (521) abgeleitet werden.17. Control device according to one of claims 14 to 16, characterized in that the characteristic quantities are derived by means of an observer estimate (521).
18. Regeleinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachter¬ schätzung als LQ-Beobachter realisiert ist. 18. Control device according to claim 17, characterized in that the observer estimate is realized as an LQ observer.
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