Beobachterbasierte Drehzahlregelung zur Unterdrückung harmonischer Schwingungen mit variierenden Frequenzen für rotatorische Antriebe

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Unterdrückung von harmonischen Schwingungen mit zeitvariierenden Frequenzen an nichtlinearen rotatorischen Antrieben. Technische Anwendungen, die diese harmonische Schwingungscharkteristik aufweisen, sind in vielfältigen Anwendungen zu finden, wobei der Fokus hier auf dem automobilen Antriebsstrang liegt. In dieser Dissertation wird eine allgemeine Methodik zur Schwingungsunterdrückung nichtlinearer Systeme vorgeschlagen, die auf einer Zerlegung des dynamischen Verhaltens in einen hochfrequenten- und niederfrequenten Streckenanteil beruht. Der hochfrequente Teil wird als Störung gesehen, der am Eingang der niederfrequenten Dynamik wirkt. Die präsentierte Methodik konnte sowohl in der Simulation, als auch an einem dafür errichteten Nockenwellenprüfstand, mit Erfolg angewendet werden. Insgesamt sind zwei Regelansätze vorgestellt, die auf einem Störgrößenbeobachter basieren. In beiden Varianten erfolgte der Entwurf in diskreter Zeit. Für die betrachtete Problematik, bei der Störungen mit variierende Frequenzen auftreten, ist diese Vorgehensweise sehr vorteilhaft, weil es zu keiner Verzerrung der Frequenzachse kommt. Bei der ersten Umsetzungsvariante ist die hochfrequente Störung, so wie gegebenenfalls ein Teil der niederfrequenten Streckendynamik, als ein pLPV-System (pLPV, polytopic-Linear-Parameter-Varying) modelliert. Die restlichen Streckenbestandteile sind durch eine LTI-Systembeschreibung repräsentiert (LTI, Linear-Time-Invariant). Der zugehörige Regler- bzw. Beobachter basiert auf einer Begrenzung der H2d-Operatornorm. Die Formulierung erfolgte anhand von Matrixungleichungen. Der Entwurf garantiert Stabilität des geschlossenen Kreises für das lineare Ersatzsystem in dem betrachteten Drehzahlbereich. Es konnten sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Störunterdrückung erzielt werden. Dabei hat sich gezeigt, dass es mit aktivierter Störunterdrückung zu einer Energieeinsparung am verwendeten Prüfstand kommen kann. Nachteilig hat sich herausgestellt, dass nur eine begrenzte Dynamik im Führungsverhalten der Regelung erzielt werden konnte. Eine Modifikation der Systembe- schreibung, die diese Problemstellung adressiert, ist in der zweiten Umsetzungsvariante betrachtet. Hierbei ist die hochfrequente Störung als ein LTV-System (LTV, Linear-Time-Variant) und die niederfrequente Stecke als ein LTI-System modelliert. Der umgesetzte Gain-Scheduling-Ansatz basiert auf schaltenden Regel- bzw. Beobachterparametern, die jeweils nur für einen Arbeitspunkt entworfen wurden. Dabei ist die Umschaltung mittels einer Hysterese realisiert, dass es nicht ständig zum Hin- und Herschalten zwischen zwei Reglern kommt. Für den Beobachterentwurf ist ein stationäres Kalman-Filter verwendet. Die Bestimmung der Regelparameter der niederfrequenten Strecke erfolgte über die Mi- nimierung eines quadratischen Gütefunktionals (LQ-Regler). Mit diesem Ansatz entfällt die theoretische Stabilitätsbetrachtung, weil der Entwurf nicht mehr fur einen gesamten Drehzahlbereich erfolgt. Die experimentellen Ergebnisse deuten aber daruf hin. Insgesamt konnten mit dieser Entwurfsvariante sehr gute Ergebnisse hinsichtlich des Stör- aber auch des Führungsverhaltens erzielt werden. Ausgehend von den gewonnenen Erkenntnissen der vorliegenden Arbeit kann als weitere Forschungsarbeit ein Übertrag der Regelalgo- rithmen auf einen hybriden Antriebsstrang fokussiert werden, bei welchem die elektrische Maschine zur Beruhigung der Drehzahlunförmigkeit beitragen kann.