Modellierung, Steuerung und Regelung für den Verteilermast einer Autobetonpumpe
von Julian WannerDie Steuerung von Autobetonpumpen ist eine anspruchsvolle Aufgabe, die Konzentration und viel Erfahrung erfordert. Der Grund dafür liegt zum einen in dem gewichtsoptimierten Aufbau des Verteilermasts und der damit verbundenen Anfälligkeit für elastische Schwingungen. Zum anderen stellt die Beherrschung der kinematischen Zusammenhänge des mehrgliedrigen Masts eine Herausforderung dar. Die Aufgabe wird durch die unstrukturierte Umgebung der Baustelle zusätzlich erschwert. Assistenzsysteme schaffen hierbei Abhilfe, indem sie den Fahrer bei der Bedienung des Fahrzeugs unterstützen. Sie erhöhen damit die Handhabbarkeit und die Sicherheit der Maschine. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung einer aktiven Schwingungsdämpfung zur Minimierung der bewegungs- und pumpinduzierten Strukturschwingungen sowie eine Geometriesteuerung zur Verbesserung der Bedienbarkeit des Mastes auf der Baustelle vorgestellt. Die Verfahren werden prototypisch an einer Autobetonpumpe validiert.
Die Grundlage beider Systeme stellt die mathematische Beschreibung des Gesamtsystems dar. Zu diesem Zweck wird ein flexibles Mehrkörpersystem des Verteilermasts basierend auf dem Newton-Euler-Formalismus hergeleitet. Die Beschreibung der Flexibilität beruht auf dem Ritz-Ansatz und nutzt die Methode des bewegten Bezugssystems. Neben der Mechanik enthält das Modell eine vereinfachte Beschreibung der hydraulischen Antriebe und der Umlenkmechanismen.
Die aktive Schwingungsdämpfung reduziert die vertikalen und horizontalen Schwingungen des Verteilermasts über eine gezielte Ansteuerung der Antriebe. Das System ist als eine modellbasierte, modale Zwei-Freiheitsgrade-Regelung ausgeführt und umfasst einen linear-quadratischen Zustandsregler mit Beobachter und eine filterbasierte Vorsteuerung. Zur Berücksichtigung der nichtlinearen Verteilermastbewegungen kommt ein Gain-Scheduling-Verfahren zum Einsatz, das die Reglerparameter in Abhängigkeit der aktuellen Mastkonfiguration adaptiert.
Die Geometriesteuerung vereinfacht die Steuerung des Verteilermasts, indem die Sollbewegung des Endeffektors direkt vorgegeben wird. Die Steuerung berechnet dabei die dazu notwendige Gelenkbewegung. Der Ansatz beruht auf der inversen Kinematik und wird über ein beschränktes, quadratisches Optimierungsproblem gelöst. Die Nebenbedingungen berücksichtigen system- und umgebungsspezifische Anforderungen der Autobetonpumpe. Sie umfassen unter anderem die Deformationskompensation der Verformungen im Verteilermast, die Volumenstrombeschränkung der hydraulischen Antriebe, die Standsicherheitsüberwachung sowie die Kollisionsvermeidung.
