Entwicklung und Erprobung last- und bewegungsentkoppelter Aktorstrukturen mittels nichtlinearer, modellbasierter Steueralgorithmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Weber
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441872331

Ziel ist die Entwicklung und Erprobung robuster Steuerungssysteme mit getrennten Steuerkanten für den effizienten Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen unter dem Aspekt der funktionalen und wirtschaftlichen Industrietauglichkeit. Aktuelle Entwicklungstrends, wie Automatisierung und Assistenz erzeugen neue, höhere Anforderungen an die Genauigkeit, Regelbarkeit und Betriebscharakteristik elektro-hydraulischer Antriebe. Eine zentrale Herausforderung dabei ist die Abstimmung und Flexibilisierung der Steuerungssysteme im Spannungsfeld von Energieeffizienz, Leistungsfähigkeit und Robustheit insbesondere gegen sich ändernde Umgebungs- und Einflussgrößen. Durch den Einsatz von verbraucherinterner und -übergreifender Regeneration können generatorisch wirkende Lasten nutzbar gemacht und die hydraulisch zugeführte Primärleistung der Pumpe reduziert werden. Aufgrund der intensiven Prozessinteraktionen und der komplexen Kinematikstrukturen mobiler Maschinen kommt es zu abrupten Wechseln der Last- und Geschwindigkeitsverhältnisse an den Verbrauchern. Ein sanftes, für den Maschinenführer nicht wahrnehmbares Umschalten zwischen verschiedenen Rückgewinnungsbetriebsarten bildet die Grundlage für einen energieeffizienten Maschinenbetrieb. Der Übergang von hochspezialisierten Wegeventilen zu standardisierten Einzelwiderständen durch Verwendung der 2-Wege-Einbauventiltechnik eröffnet vielseitige Potentiale im Bereich der Flexibilität, sowohl auf Komponenten- als auch auf Systemebene. Sitzdichte Einzelventile mit proportionaler Charakteristik, welche neben der Volumenstromsteuerung zusätzliche Funktionen wie Lasthalten übernehmen können, sollen erprobt und weiterentwickelt werden. Parallel zur Architekturentwicklung geben modellgestützte Analysen und Untersuchungen Aufschluss über Komponenten- und Funktionserfordernisse. Begleitend werden auf diesem Weg neuartige Steuerungskonzepte entwickelt bzw. bereits bekannte Methoden und Verfahren aus der Robotik auf die Erfordernisse mobiler Baumaschinen angepasst. Hierfür ist ein zweistufiges Vorgehen sinnvoll. Im ersten Schritt werden die Algorithmen in einer Software-in-the-Loop-Umgebung (SiL) entwickelt und mit dem Modell der virtuellen Maschinenprototypen getestet. Im zweiten Schritt sollen die entwickelten Algorithmen auf eine maschinennahe Steuerungshardware portiert und getestet werden. Das real existierende Steuergerät tauscht dabei Informationen mit einem echtzeitfähigen Maschinenmodell in einer Hardware-in-the-Loop-Umgebung (HiL) aus. Die Ergebnisse der Simulations- und Entwicklungsschritte werden auf Gesamtmaschinenebene übertragen. Die Optimierung des Gesamtmaschinensystems und dessen Betriebsverhalten erfolgt nach energetischen und funktionalen sowie Robustheitsgesichtspunkten. Im Rahmen der Umsetzung sind Betriebssituationen und Arbeitsfunktionen zu definieren und Kriterien (Performance-Indikatoren) abzuleiten, welche die Leistungsfähigkeit des Steuerungssystems bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Liebherr Hydraulikbagger GmbH; Liebherr Machines Bulle SA