Dynamische Analyse und Regelung von Arbeitsmaschinen mit langen elastischen Auslegersystemen basierend auf der Port-Hamiltonschen Systembeschreibung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsprojekt "Dynamische Analyse und Regelung von Arbeitsmaschinen mit langen elastischen Auslegersystemen basierend auf der Port-Hamiltonschen Systembeschreibung" wird eine Modellierungsmethode für gekoppelte mechanisch-hydraulische Systeme entwickelt. Diese Methode eignet sich insbesondere zur Berechnung von Mobilkränen und Hubarbeitsbühnen. Dazu wurde das mathematische Modell des gekoppelten Systems in der Port-Hamiltonschen Formulierung entwickelt. Zur Diskretisierung der partiellen Differentialgleichungen des dynamischen Modells wurde die strukturerhaltende Raumdiskretisierung angewendet. Für die Berechnung von einfachen Arbeitsbewegungen, wie einzelnen Wipp- und Hubvorgängen, wurde ein ebenes Timoshenko-Balkenmodell entwickelt. Die Bewegungsgleichungen des Balkenmodells und eines einfachen ventilgesteuerten Hydraulikzylinders wurden in Port-Hamiltonscher Formulierung aufgestellt. Die strukturerhaltende Diskretisierung wurde angewendet, um die ursprünglich partiellen Differentialgleichungen des 2-dimensionalen Balkenmodells in lösbare gewöhnliche Differentialgleichungen zu überführen. Für komplexere Anwendungen wurde ein dynamisches räumliches Balkenmodell in einem mitdrehenden Bezugssystem entwickelt, das auf der geometrisch exakten Balkenformulierung beruht. Dieses Element bildet elastische Verformungen und große Starrkörperbewegungen ab (Verschiebung und Drehung). Die Bewegungsgleichungen der Auslegersysteme von Hubarbeitsbühnen und Gittermast-Mobilkränen wurden mit Hilfe der Legendre-Transformation in der Port-Hamiltonschen Formulierung aufgestellt. Die vorgeschlagene neue Formulierung des 3-dimensionalen Balkenelements eignet sich sowohl für die kontinuierlich verlaufende Auslegerstrukturen als auch für Fachwerkausleger. Um die Schwingungen der langen Ausleger während des Betriebs zu minimieren, wurde die Strategie der Trajektorienverfolgung angewendet und als optimales Steuerungsproblem formuliert. Eine neue strukturerhaltende Zeitdiskretisierungsmethode wurde entwickelt und angewandt, um das ursprüngliche Problem der optimalen Steuerung in eine diskrete Form zu überführen. Zur Erzeugung der Zieltrajektorie (z. B. der Trajektorie der Auslegerspitze) wurde eine quasistatische Mapping-Strategie angewendet. Abschließend wurden die Leistungsfähigkeit des gekoppelten dynamischen Modells des flexiblen langen Auslegers und die Methode der Trajektorienverfolgung numerisch getestet. Durch die erzielten Ergebnisse wird die entwickelte Methode der Kopplung der dynamischen Systeme von mechanischer Struktur und hydraulischem Antriebssystem verifiziert. Die Strategie der Trajektorienverfolgung hat sich als sehr gut geeignet zur Minimierung der Schwingungen von langen elastischen Auslegersystemen erwiesen. Die entwickelte Modellierungsmethode und numerische Lösung lassen sich auch für die Berechnung anderer Formen von nichtlinearen dynamischen Systemen verwendet. Die Ergebnisse des Projekts sind für weiterführende vertiefte Forschungen und Untersuchungen von grundlegender Bedeutung und können dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit von Fahrzeugkranen und Hubarbeitsbühnen deutlich zu steigern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
(2019). Modeling and Discretization of Hydraulic Actuated Telescopic Boom System in Port-Hamiltonian Formulation. In Proceedings of the 9th International Conference on Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications - SIMULTECH, ISBN 978-989-758-381-0; ISSN 2184-2841, pages 69-79
Gao, L.; Wang, M.; Kleeberger, M.; Peng, H. and Fottner, J.
-
(2020). Modeling and Simulation of Long Boom Manipulator based on Geometrically Exact Beam Theory. In Proceedings of the 10th International Conference on Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications - SIMULTECH, ISBN 978-989-758-444-2; ISSN 2184-2841, pages 209-216
Gao, L.; Zhuo, Y.; Kleeberger, M.; Peng, H. and Fottner, J.
-
Optimal control of the hydraulic actuated boom system based on port-Hamiltonian formulation. 12th International Fluid Power Conference (12. IFK). Dresden, October 12 – 14, 2020, 2020, Dresden, Germany
Gao, L.; Shi, B.; Kleeberger, M.; Fottner, J.
-
(2021). Dynamic Simulation of Two Kinds of Hydraulic Actuated Long Boom Manipulator in Port-Hamiltonian Formulation. In: Obaidat, M., Ören, T., Szczerbicka, H. (eds) Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications. SIMULTECH 2019. Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 1260. Springer, Cham
Gao, L., Wang, M., Peng, H., Kleeberger, M., Fottner, J.
-
(2021). Dynamics Modelling and Simulation of Super Truss Element based on Non-linear Beam Element. In Proceedings of the 11th International Conference on Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications - SIMUL- TECH, ISBN 978-989-758-528-9; ISSN 2184-2841, pages 50-61
Gao, L.; Dai, X.; Kleeberger, M. and Fottner, J.
-
(2022). Dynamics of the Spatial Motion of the Long Boom Manipulator Based on Nonlinear Beam Element. In: Obaidat, M.S., Oren, T., Rango, F.D. (eds) Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications. SIMULTECH 2020. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 306. Springer, Cham
Gao, L., Zuo, Y., Kleeberger, M., Peng, H., Fottner, J.
