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Dissertation Eutebach

Dr.-Ing. Thomas Eutebach

"Ein Beitrag zur Bedämpfung von Torsionsschwingungen in hochdynamischen Industrieantrieben" (2000)

Die vorliegende Arbeit widmet sich erneut der Problematik der geschwindigkeits- und lagegeregelten Antriebe mit schwingungsfähiger Mechanik. Am konkreten Beispiel einer industriellen Querschneideranlage wurden verschiedene Verfahren zur Identifikation der mechanischen Streckenparameter und zur Schwingungsdämpfung untersucht und gegenübergestellt, wobei die Realisierung auf einer gegebenen Elektronikplattform und die einfache Handhabung der Verfahren wichtige Kriterien waren.
Zur Vereinfachung der theoretischen Betrachtungen wurde die mechanische Strecke als Zwei-Massen-System mit räumlich konzentrierten Massen angenähert. Auf Basis dieses vereinfachten Modells wurden zur genauen Analyse der Identifikations- und Regelverfahren ein digitales Simulationsmodell und eine Laboranlage entwickelt, an denen umfangreiche Messungen durchgeführt werden konnten, bevor die Verfahren an der eigentlichen Maschine erprobt wurden.
Zur automatischen Identifikation der mechanischen Parameter des zu Grunde gelegten Zwei-Massen-Modells wurden einige Verfahren erprobt, wobei ein neues, nach dem Prinzip eines Phasenregelkreises arbeitender Algorithmus zu einer sehr brauchbaren Bestimmung der Eigenfrequenz der Strecke führte. Des weiteren konnte eine offline-fähige FFT-Analyse erfolgreich zur Eigenfrequenzbestimmung eingesetzt werden.
Ausgehend von einer hinreichend genauen Kenntnis der Regelstrecke wurden unterschiedliche Regelstrategien zur Dämpfung auftretender Torsionsschwingungen theoretisch und praktisch am Labormodell untersucht. So beschäftigt sich der erste Teil der Arbeit mit sog. passiven Dämpfungsmaßnahmen, in denen die Kaskadenstruktur der Regelung durch frequenzselektive und bandbegrenzende Filter ergänzt wurde. Hier konnten mit Hilfe eines FIR-Filters, das sich durch eine sehr einfache Struktur auszeichnet und dank der heutigen Digitaltechnik sich sehr einfach implementieren lässt, die besten Ergebnisse erzielt werden.
Bei den untersuchten aktiven Maßnahmen, die Gegenstand des zweiten Teils der Arbeit sind, wurde die klassische Differenzdrehzahlregelung einer Zustandsraumregelung und einer Beschleunigungsregelung gegenübergestellt. Unter Einsatz eines erst in letzter Zeit zur Reife entwickelten Beschleunigungssensors konnte die Beschleunigungsregelung mit durchschlagendem Erfolg an der Querschneideranlage angewandt werden.
Da sich die aktiven Dämpfungsmaßnahmen auf zusätzliche Messgrößen stützen, wurden konsequenterweise die Substitution der Sensoren durch eine Beobachtung in Betracht gezogen und für die vorliegende Strecke unterschiedlich komplexe Beobachterversionen entwickelt und verglichen.
Durch die in der wirklichen Maschine vorhandenen Einschränkungen (Arithmetik, Systemresourcen) konnten nur einige der untersuchten Verfahren erprobt werden, die alle zu sehr guten Ergebnissen führten. So konnte durch den Einsatz des FIR-Filters der Schnittfehler, der ein wichtiges Qualitätsmerkmal des Querschneiders ist, auf 20 % des ursprünglichen Wertes gesenkt werden; dieses Ergebnis wurde bei Verwendung der Beschleunigungsregelung mit 19 % sogar noch einmal übertroffen.
Die Arbeit zeigt in systematischer Weise, dass dem Schwingungsproblem einer Querschneideranlage, das sich auf das bekannte Problem des geregelten Zwei-Massen-Systems zurückführen lässt, durch die Anwendung klassischer und moderner regelungstechnischer Ansätze sowie neuartiger Sensoren begegnen werden kann und sich die Prozessgenauigkeit signifikant verbessern lässt.