Systemdynamik und Regelung von Fahrzeugen

Dieses Buch vermittelt die wesentlichen modernen Methoden der Systemdynamik und Reglerauslegung bei bodengebundenen Fahrzeugen. Der Systemaspekt steht dabei im Vordergrund, weshalb neben den mechanischen und regelungstechnischen Grundlagen Modellbildung, Systemanalyse und Simulation not- wendige Bestandteile dieser Verfahren sind. Bei der Modellbildung und in den Anwendungsbeispielen werden Stra~enfahrzeuge, Schienenfahrzeuge und Magnetschwebebahnen behandelt. In charakteristischen Problemstellungen werden insbesondere die Auswirkungen aktiver Komponenten auf das Fahrzeugverhalten demonstriert. Dar}berhinaus enth{lt das Buch ad{quate Rechenverfahren f}r die auftretenden numerischen Aufgabenstellungenund Hinweise auf aktuelle Softwarepakete zur Systemanalyse und Regleraus- legung. Inhaltsverzeichnis 1 Einführung.- 1.1 Übersicht, Stand der Technik.- 1.2 Grundaufgaben.- 1.3 Literaturübersicht.- 1.4 Notation, Schreibweise für Formeln.- 2 Modellbildung.- 2.1 Grundsätzliches zur Modellbildung.- 2.2 Modellbildung beim Kraftfahrzeug.- 2.2.1 Modelle zum Fahrverhalten.- 2.2.2 Vertikalmodelle.- 2.3 Modellbildung bei Magnetschwebebahnen.- 2.4 Modellbildung für Rad-Schiene-Fahrzeuge.- 2.5 Ersatzmodelle von Systemkomponenten.- 2.5.1 Aufhängungssysteme.- 2.5.2 Reibung zwischen Systemteilen.- 2.5.3 Stoßdämpfer.- 2.5.4 Modelle für Federn.- 2.5.5 Aktive Stellglieder.- 2.6 Kraftübertragung zum Fahrweg.- 2.6.1 Reifenmodelle.- 2.6.2 Kontaktkräfte zwischen Rad und Schiene.- 2.6.3 Kraftübertragung Magnet-Schiene.- 2.7 Bewegungswiderstände.- 2.7.1 Rollwiderstand und Luftkräfte beim Kfz.- 2.7.2 Bewegungswiderstände bei der Eisenbahn.- 2.8 Datenbeschaffung, Parameterbestimmung.- 3 Bewegungsgleichungen.- 3.1 Aufstellung der Bewegungsgleichungen.- 3.1.1 Kinematik, allgemeine Überlegungen.- 3.1.2 Kinematik von Mehrkörpersystemen.- 3.1.3 Dynamik.- 3.2 Linearisierung der Bewegungsgleichungen.- 3.2.1 Linearisierung des Endsystems.- 3.2.2 Linearisierung in der Kinematik.- 3.3 Beispiele.- 4 Lineare Systemanalyse.- 4.1 Einführung in die Zustandsform.- 4.2 Transitionsmatrix und ihre Berechnung.- 4.3 Stabilität und Abklingverhalten.- 4.4 Steuerbarkeit, Beobachtbarkeit.- 4.5 Zustandsdarstellung und Frequenzgang.- 4.6 Beispiele.- 5 Analyse stochastischer Fahrzeugschwingungen.- 5.1 Beschreibung zufälliger Störungen.- 5.2 Störmodelle für Fahrwegunebenheiten.- 5.3 Analyse im Zeitbereich.- 5.3.1 Numerische Simulation.- 5.3.2 Kovarianzanalyse.- 5.4 Berechnung im Frequenzbereich.- 5.5 Bewertung von Fahrzeugschwingungen.- 5.5.1 Fahrsicherheit.- 5.5.2 Fahrkomfort.- 5.6 Beispiele.- 6 Auslegungs- und Reglerentwurfsverfahren.- 6.1 Einige prinzipielle Überlegungen zu aktiven Systemen.- 6.2 Entwurf durch Polvorgabe.- 6.2.1 Bestimmung der Verstärkungen.- 6.2.2 Wahl der Eigenwerte.- 6.3 Quadratische Synthese (Riccati-Entwurf).- 6.4 Zustandsschätzung.- 6.4.1 Aufgabenstellung.- 6.4.2 Struktur des Zustandsschätzers (Beobachters).- 6.4.3 Übergang zum Kalman-Bucy-Filter.- 6.4.4 Regelungssysteme mit Zustandsschätzung.- 6.4.5 Zustandsbeobachter reduzierter Ordnung.- 6.4.6 Optimalfilter bei korreliertem Rauschen.- 6.5 Beispiele.- 7 Digitale Regelung.- 7.1 Einführung.- 7.2 Diskretisierung der Zustandsgleichungen.- 7.3 Steuerbarkeit und Beobachtbarkeit.- 7.4 Reglerentwurf.- 7.4.1 Verfahren der Polvorgabe, Eingrößenfall.- 7.4.2 Das Verfahren der quadratischen Synthese.- 7.5 Diskreter Zustandsbeobachter.- 7.6 Das diskrete Kalman-Filter.- 7.7 Beispiel.- 8 Software zur Systemdynamik.- 8.1 Entwicklungstendenzen.- 8.2 Entwicklungsschritte der Systemdynamik-Software.- 8.2.1 Vom Analogrechner zu den Simulationssprachen.- 8.2.2 Software zur Unterstützung der Modellbildung.- 8.2.3 Regler-Analyse-Synthese-Pakete.- 8.2.4 Neuere Entwicklungen.- 8.3 Simulation mit Mehrkörperprogrammen.- 8.3.1 Vorbemerkungen zu Mehrkörperprogrammen.- 8.3.2 MKS-spezifische Methodik und Terminologie.- 8.3.3 Anforderungen an fahrzeugorientierte MKS-Programme.