Methoden der aktiven Schwingungsdämpfung #1 Allgemeine Vorstellung
Hallo Zusammen! Ich bin Ruo Yi. In den bisherigen Beiträgen habe ich euch die Entwicklung einer kostengünstigen modellbasierten Regelungsplattform auf Basis des Mikrocomputers „BeagleBone Black“ und offenen Software „Scilab und X2C“ erzählt. Die Regelungsplattform kann man als einen Werkzeug betrachten, aber was tut man damit? Zur Validierung der Funktionalität und Bedienbarkeit wird die Plattform zur Schwingungsdämpfung einer Kamera unter einer Drohne (siehe Bild 1) eingesetzt. Zur Realisierung der Schwingungsdämpfung soll die entsprechende Algorithmen bzw. Regler entworfen. Dann kann die resultierende Algorithmen von dem Mikrocomputer ausgeführt und zur Realisierung der Schwingungsdämpfung in Kraft treten.
Bild1: Kamera unter einer Drohne
Um die unerwünschten Schwingungen der Kamera unter der Drohne zu vermindern, werden aktive Techniken in meiner Arbeit eingesetzt. Im Vergleich zur traditionellen passiven Technik besitzt die aktive Lösung mehrere Vorteile. In diesem Beitrag verschaffen wir uns zuerst einen Überblick über die aktive Schwingungsdämpfung. Basierend darauf werde ich in drei weiteren Beiträgen detaillierte über einen grundlegenden Algorithmus und die in meiner Arbeit implementierten Methoden erzählen.
Es sei hier angemerkt, dass die im Folgenden verwendete Notationen und dargestellten Herleitungen in wesentlichen Teilen auf die Quelle [1] zurückgehen.
Allgemeines Konzept
Die Schwingungsdämpfung kann grob in zwei Kategorien unterteilt werden: passive und aktive Schwingungsdämpfung. Schon seit langem werden passive Techniken wie z.B. Feder-Dämpfer-Systeme oder Dämmmaterial zur Schwingungsdämpfung eingesetzt. Solche passive Systeme bzw. Elemente können als Tiefpassfilter betrachtet werden, deren Wirkung jedoch im Wesentlichen auf höhere Frequenzbänder beschränkt ist [2]. Darüber hinaus beschränkt die Resonanzfrequenz des passiven Elements den Einsatz der passiven Schwingungsdämpfung. Die Resonanzfrequenz, unterhalb derer die Schwingungsisolierung unwirksam ist, ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Federnachgiebigkeit und der Masse. Wenn die Frequenz der unerwünschten Schwingungen abnimmt, muss daher die Masse oder die Nachgiebigkeit zunehmen, was schließlich als unpraktisch oder zu teuer zum Implementieren ist [1].
Zur Lösung dieser Probleme hat aktive Technik beträchtliches Interesse gefunden und sich als vielversprechend erwiesen. Bei aktiver Schwingungsminderung wird die zu beruhigende Struktur um einen Aktor erweitert, der zur Minderung der Schwingung der Struktur dient. Das Grundprinzip der aktiven Schwingungsminderung besteht darin, die ursprüngliche Schwingung durch eine durch den Aktor erzeugte Bewegung mit gleicher Amplitude, aber entgegengesetzter Phase zu kompensieren. Dieses Prinzip findet breite Anwendung in der Geräuschreduzierung. Bild 2 zeigt das Grundprinzip. Die Wirkung der Schwingungsminderung hängt von der Genauigkeit der Amplitude und Phase der erzeugten Bewegung ab. Das aktive Verfahren dämpft effizient niederfrequente Schwingung, wo passive Verfahren ineffektiv oder sehr teuer zu implementieren sind. Deswegen kann aktive Verfahren als moderne Ergänzung zu herkömmlichen passiven Systemen betrachtet werden [1].
Bild 2: Grundprinzip der aktiven Geräuschreduzierung [3]
Vorstellung der Methoden
Prinzipiell gibt es zwei Arten von Störungen im Bereich der Schwingungsminderung, breitbandig und schmalbandig. Breitbandige Anregung kann z.B. durch Luftströme verursacht werden, der zufällig ist und seine Energie mehr oder weniger gleichmäßig über ein breites Frequenzband verteilt. Im Gegensatz dazu konzentriert sich die Energie einer schmalbandigen Anregung an einer spezifischen Frequenz. Normalerweise hängt die schmalbandige Anregung mit rotierenden Maschinen zusammen [1]. Zum Beispiel ist eine Vibrationsquelle, die zu störenden Schwingungen des Chassis im Kraftfahrzeug führt, der Verbrennungsmotor [2].
Zur Schwingungsminderung können Methoden je nach der Art der Anregung auch in zwei Kategorien eingeteilt werden: breitbandige und schmalbandige Regelung. Bei der breitbandigen Regelung wird ein Referenzsignal verwendet, um ausreichende Informationen über die Anregung vor der Generierung der Stellgröße zu erhalten. Die von der Anregung verursachte Schwingung bzw. Vibration wird an der Stelle des Aktors kompensiert. Im Vergleich zur breitbandigen Regelung ist schmalbandige Regelung sehr effizient für die periodische Störung. Anstelle des Referenzsensors zur Erfassung der Anregung wird oft bei schmalbandiger Regelung ein Tachometer eingesetzt. Der Tachometer liefert die Frequenz der Anregung, die durch die Regelung gezielt kompensiert wird [1].
Je nachdem, ob der Regler Referenzsignale aus der Anregung benötigt, können die Methoden auch in Feedforward- und Feedback-Regelung unterteilt werden. Beim Feedforward-Regler wird ein Referenzsignal aus der Anregung durch einen Sensor erfasst, bevor die Anregung an die Kompensationsstelle übertragen wird. Beim Feedback-Regler generiert der Regler die Stellgröße nur basierend auf der Ausgangsgröße und benötigt keine Signal aus der Anregung. Feedforward-Regler sind generell robuster als Feedback-Regler, insbesondere wenn das Feedforward-System ein Referenzsignal hat, das nicht von dem Aktor beeinflusst wird [1].
In dem nächsten Beitrag gehen wir auf einen grundlegende Algorithmus der aktiven Schwingungsdämpfung ein.
Letzter Beitrag:
Nächster Beitrag:
Methoden der aktiven Schwingungsdämpfung #2 Parameteradaption mittels LMS-Algorithmus
Quellen:
[1] KUO , S. M. und D. R. MORGAN : Active Noise Control System. John Wiley & Sons. Inc., 1996
[2] PASCHEDAG , J.: Aktive Schwingungsisolation in Kfz-Motoraufhängungen – Systemkonfiguration und Methoden. Doktorarbeit. Technische Universität München, 2007
[3] WIKIPEDIA : Active noise control. Webseite, Quelle:https://en.wikipedia.org/wiki/Active_noise_control. [Zugriff: 29.05.2018]
Schreibe einen Kommentar