Beobachterentwurf für ein Schienenfahrzeug mit Einzelradfahrwerken

Kurzfassung

Das Spurführungskonzept von Schienenfahrzeugen ist seit über zwei Jahrhunderten prinzipiell unverändert. In der neueren Schienenfahrzeugforschung werden alternative Spurführungskonzepte untersucht, so auch im Ultra-Hochgeschwindigkeitszugkonzept Next Generation Train (NGT), welcher mit Einzelrad-Einzelfahrwerken (EEF) ausgestattet ist. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von EEF anstelle der klassischen Radsätze ein hohes Potenzial zur Verschleißreduktion bietet und durch die fehlende Radachse Bauraum entsteht, welcher eine ebene Durchgängigkeit auf der untersten Fahrgastebene ermöglicht. Aufgrund der fehlenden Drehzahlkopplung der Räder eines Radpaars entfallen jedoch passive Stabilitätseigenschaften in der Spurführung, sodass eine Regelung der Lateraldynamik erforderlich wird. Diese mechatronische Spurführung benötigt die laterale Position des Fahrwerks relativ zum Gleiskanal als wesentliche Sensorgröße. Auf offener Strecke ist die direkte Messung dieser Querverschiebung nur schwer zu realisieren. Aus diesem Grund ist es das Ziel dieser Arbeit, eine Zustandsschätzung für die laterale Position eines EEF im Spurkanal zu entwickeln. Als Entwicklungsumgebung steht hierzu im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ein im Maßstab 1 : 5 nach Ähnlichkeitsgesetzen skaliertes Experimentalfahrwerk des NGT zur Verfügung. Für dieses Fahrwerk werden in der vorliegenden Arbeit zwei nichtlineare Systembeschreibungen hergeleitet, eine Modellbeschreibung mit sechs Zuständen und eine reduzierte Formulierung gültig für kleinen Schlupf mit fünf Zustandskomponenten. Diese Fahrwerksbeschreibungen werden mit jeweils drei Sensorkonfigurationen kombiniert, um Beobachterbeschreibungen zu formulieren. Da die laterale Position des Fahrwerks für die mechatronische Spurführung eine systemkritische Komponente darstellt, wird die Beobachtbarkeit der kombinierten nichtlinearen Systembeschreibungen analysiert. Zu diesem Zweck wird die jeweilige Beobachtbarkeitsabbildung formuliert und deren Invertierbarkeit analysiert. Diese Modellbeschreibungen werden jeweils in Extended Kalman-Filter, Unscented Kalman-Filter und dem Ensemble Kalman-Filter Beobachterkonzepten untersucht. Prinzipiell unterscheiden sich diese Filter in der Art ihrer Verwendung der nichtlinearen Systembeschreibung zur Zustandsschätzung. Die in Summe 18 verschiedenen Beobachtervarianten werden in der Simulation mit Messdaten aus Prüfstandversuchen untersucht. Weiterhin werden ausgewählte Beobachtervarianten auf dem Echtzeitsystem des Prüfstands implementiert und experimentell evaluiert. Es zeigt sich, dass Genauigkeiten mit dem Unscented Kalman-Filter und der KraftMomenten-Sensorkonfiguration von weniger als 0,1 mm erreicht werden können. Den größten prozentualen Schätzfehler produziert das Ensemble Kalman-Filter mit der BasisSensorkonfiguration. Dabei liegen die Fehler im Mittel mit unter 5 % in einem akzeptablen Rahmen. Weiterhin wird der Einfluss von Störfaktoren, wie Messrauschen und Sensitivität auf veränderliche Systemparameter wie Spurspiel und Profilgeometrie untersucht. In diesem Zusammenhang wird festgestellt, dass der Einsatz von Vorfiltern wichtig für eine genaue Schätzung ist. Weiterhin hat eine inkorrekte Parametrierung des Spurspiels im Beobachter nur einen geringen Einfluss auf die beobachtete Position. Im Vergleich dazu hat die Profilgeometrie einen größeren Einfluss. Aber selbst bei einer sehr groben Näherung des S1002-Profils als reiner Konus wächst der Schätzfehler lediglich um den Faktor 4 und bleibt im Mittel unter 5 %.