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Aktive Schwingungsdämpfung an einer elastischen Wagenkasten Struktur Aktive Schwingungsdämpfung an einer elastischen Wagenkasten Struktur elastischen WagenkastenStruktur elastischen WagenkastenStruktur Martin Kozek *, Christian Benatzky*, Alexander Schirrer* und Anton Stribersky + Martin Kozek *, Christian Benatzky*, Alexander Schirrer* und Anton Stribersky + * Institute of Mechanics and Mechatronics + Siemens Transportation Systems, Vienna, Austria * Institute of Mechanics and Mechatronics + Siemens Transportation Systems, Vienna, Austria 1 GMA/GAMMWorkshops,Sept. 2126.09.2008, Salzburg GMA/GAMMWorkshops,Sept. 2126.09.2008, Salzburg

Aktive Schwingungsdämpfung an einer elastischen ... · Aktive Schwingungsdämpfung an einer elastischen Wagenkasten ‐Struktur Martin Kozek*, Christian Benatzky*, Alexander +Schirrer*

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Aktive Schwingungsdämpfung an einer elastischen Wagenkasten Struktur

Aktive Schwingungsdämpfung an einer elastischen Wagenkasten Strukturelastischen Wagenkasten‐Strukturelastischen Wagenkasten‐Struktur

Martin Kozek*, Christian Benatzky*, Alexander Schirrer* und Anton Stribersky +

Martin Kozek*, Christian Benatzky*, Alexander Schirrer* und Anton Stribersky +

* Institute of Mechanics and Mechatronics+ Siemens Transportation Systems, Vienna, Austria

* Institute of Mechanics and Mechatronics+ Siemens Transportation Systems, Vienna, Austria

1GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

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ContentsContents• Motivation

• Fundamental concept

• Analytic modellingAnalytic modelling

• Experimental modelling ‐ identification

• Robust controller design

• Actuator nonlinearitiesActuator nonlinearities

• Co‐simulation and experiment

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

• Conclusion

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MotivationMetro vehicles:

• Lightweight structures

• Simple, modular construction

• Many and large doors & windows

Poor ride comfort!

Active damping of vibrations:

Se ondar s spension (safet !)• Secondary suspension (safety!),(Stribersky et.al. 1998, Foo & Goodall 2000)

• Actuators on flexible structure

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

Actuators on flexible structure(Kamada et.al. 2005, Schandl et.al. 2007)

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Elastic Deformations of Car BodyElastic Deformations of Car Body

1st vertical bending mode 1st torsional mode1st vertical bending mode 1 torsional mode

1st diagonal distortion mode

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

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Innovative Solution

Measurement

Controller

A lifi

Control input

Amplifier

Excitation

Low power consumptionStructure

ConsolePiezo‐actuator

F(t)

F(t)

Robust in case of system failure

Small effect on suspension / rail/wheel forces

Ri id b d d ll bl

+

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

U(t) Rigid body modes not controllable–

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Active Damping Concept IActive Damping Concept I

Piezo‐stack actuator mounted in console:Piezo stack actuator mounted in console:

w w

F F

wi wj

Blocking force FB = 50kN @ 1kV, travel Δw = 0.2mm,

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

B length l = 294mm, diameter d = 45mm, power Ptyp = 150W

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Active Damping Concept IIActive Damping Concept II

Actuator, sensor, and performance positions:Actuator, sensor, and performance positions:

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Analytic Modeling IAnalytic Modeling I

system of ODEs of order ny

generalized coordinates wgeneralized coordinates wexpressed by eigenvectors Φand modal coordinates q

system of modal ODEs

definition of state vectordefinition of state vector

state space equations order 2n

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state-space equations, order 2n(Preumont 1997)

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Analytic Modeling IIdisturbance actuator input

Input matrices are composedof components of φ in directionof w and w respectivelyof wi and wj, respectively

Only for collocation!Only for collocation!(Preumont 1997)Non-collocation: similar to B2

Transfer functions from actuator to sensor and disturbance to sensor.

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Experimental Modeling ‐ IdentificationExperimental Modeling  Identification

direct identification of state-space system!

performance measurementssensor measurements

performance measurements

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(Benatzky et.al. 2007a)

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Identification Resultsempirical transfer function estimatefull order state space model

reduced order state space modelfor controller design

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Robust H ‐ControlRobust H∞ Control

NOMINAL SYSTEM

INPUTS OUTPUTS

(contains all weights)

UNCERTAINTY(additive, multiplicative,

INPUTS OUTPUTS

Uncertainties Uncertainties

parametric)

DisturbancesPerformance

outputs

MeasurementControl inputs

Measurementoutputs

CONTROLLER

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

Standard P‐K‐ Δ‐Structure

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Controller DesignPERFORMANCE

Power spectrum densities of INPUT DISTURBANCES

PERFORMANCE(Accelerations,control inputs, 

etc.))

d l f fl blUNCERTAINTIES (Actuators→multiplicative,

neglected dynamics→additive)

Design model of a flexible structure (e.g. modally reduced 

model)

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

Guaranteed robust performance by DK‐iteration!

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Controller Comparisonactive damping of acceleration (aRMS,ISO) in %

H∞‐Control vs.Pole‐Placement

control cost in % of KPP econtrol cost in % of KPP,e

(Benatzky et.al. 2007b)

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

( y )

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Full‐size actuator

real-time computer( )

Experimental validation of feasibility:

(controller)

amplifier

signalconditioning

p

console

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Piezo-stack

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Nonlinear Actuator: Model and ControlSummation of

• Control systemSummation ofdisplacements

Linear‐inversei d lpiezo model

H t i l• Hysteresis loops • Force deviation, measured

ref. force 100N,10% error

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

(Schirrer et.al. 2008b)

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Co‐SimulationComprehensive and complex co‐simulation with MATLAB & SIMPACK:

Rail irregularities, wheel‐rail contact, bogies, suspensions, FE‐car body

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

g g p y

Nonlinear actuator (Schirrer et.al. 2008b)

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Results of Co‐SimulationPSD – plots for actuator cfg. „door/roof“ (v=80km/h, DB‐High)

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

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Experimental ValidationScaled car body (1:10) made from aluminum:

shaker2 Piezo‐stackactuators

amplifier soft coilsprings

(2 Piezo‐patchsensors)

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

(Kozek et.al. 2008)

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Results from experimental modelaccelerations at four performance positions:

left right

frontfront

middle

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Experimental results IIVerification of unchanged mode shapes using a Laser vibrometer:

torsion @ 71.8Hz: amplitude reduction 

120nm 40nm120nm  40nm

open‐loop closed‐loop

bending @ 91.3Hz: amplitude reduction 

50nm  30nm

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(Popprath et.al. 2007)

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Further ResultsFurther Results

N li id tifi ti f Pi h t i• Nonlinear identification of Piezo‐hysteresis(experimental), Schirrer & Kozek, ENOC‐08.

• Laser speckle interferometry for analysis of consolestrain, Schirrer et.al., ICSV15.

• Fault dedection and isolation by hardwareredundancy, Benatzky & Kozek, ICSV14.

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Conclusion• Innovative concept for active damping of a flexible car body 

using Piezo‐actuators

• Piezo‐stack actuators mounted in consoles

• Non‐linear actuator model and compensation

• Robust H∞‐control system

• Feasibility is validated byy y

– Complex co‐simulation

– Scaled metro model with closed‐loop experimentScaled metro model with closed loop experiment

– Full‐size actuator experiments

• Very large structure for Piezo application

GMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, SalzburgGMA/GAMM‐Workshops,Sept. 21‐26.09.2008, Salzburg

• Very large structure for Piezo application

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Literature

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