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Stability-Oriented Dynamics and Control of Complex Rigid-Flexible Mechanical Systems Using the Example of a Bucket-Wheel Excavator

Luu, Quang Khanh

The focus of this thesis is the modeling and control of the boom of the Bucket-Wheel excavator, which represents a specific type of complex machine systems used in mining technology. Hereby the Bucket-Wheel boom is modeled as the three-dimensional flexible beam using the Euler-Bernoulli beam theory. Retaining higher-order terms in the nonlinear strain-displacement relationship, higher-order coupling effects between the overall motion and flexible deformations are considered in the modeling. Furthermore, the nonlinear modeling of the three-dimensional elastic boom is also considered with the additional elasticity of hoisting cables. More complex motions, especially the guided motion in combination with digging resistance forces, are mentioned and discussed. So far, the elasticity of the boom along with the interaction between the cutting head and the face material is taken into account. The effects of higher-order couplings between flexible deformations, hoisting cables, and digging resistance forces on dynamical responses of the Bucket-Wheel boom are illustrated by intensive simulation studies. Dynamic phenomena resulting from higher-order geometrical and dynamical couplings undergoing the guided motion and digging resistance forces are therefore analyzed in detail. The destabilizing effects leading to large deformations (may be critical) of the system due to the above mentioned couplings are shown in simulation results. Thus, the developed model as well as the related dynamic system representation gives a good base for the advanced study of the stability of the system in combination with the digging resistance forces. For control analysis and design purposes, the nonlinear dynamical system of the Bucket-Wheel boom is approximated by the extended linear system with nonlinearities modeled by a suitable fictitious model. Based on this extended linear system, a high-gain PI-Observer is applied to estimate all states of the system and to reconstruct the time behavior of the nonlinearities. From this point of view, a high-gain PI-Observer-based state feedback control is realized in combination with disturbance rejection control approaches. Three disturbance rejection control approaches including the static disturbance rejection control approach, Davison approach, and the extended approach of Davison are discussed for compensating nonlinearities. Simulation examples are included to illustrate the efficient suppression of vibrations as well as the stabilization of the system during the digging process of the Bucket-Wheel Excavator. The results show that the static disturbance rejection control approach cannot stabilize the system, while Davison approach and the extended approach of Davison can stabilize successfully the system with the suitable dynamic feedback terms. Consequently, application of these approaches can improve operating ranges of the Bucket-Wheel excavator. Therefore, an exploitation productivity of the Bucket-Wheel excavators can be increased.

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Modellbildung und der Regelung von Schaufelradbaggerauslegern. Die Schaufelradbagger stellen eine besondere Art komplexer Maschinensysteme dar, die im Braunkohletagebau eingesetzt werden. Der Schaufelradausleger ist hierbei als dreidimensionaler elastischer Balken nach der EULER-BERNOULLI Balken-Hypothese modelliert. Durch den Erhalt von Termen höherer Ordnung in den nichtlinearen Relationen zwischen Verschiebung und Verzerrungen, sind Kopplungseffekte höherer Ordnung der gesamtheitlichen Verschiebung und der flexiblen Deformation mitberücksichtigt. Bei der Modellierung der geometrischen Nichtlinearität des dreidimensionalen elastischen Balkens wurde weiterhin die zusätzliche Elastizität von Hebekabeln miteinbezogen. Komplexere Bewegungen, speziell die geführte Bewegung in Kombination mit Grabkräften wurden aufgezeigt und diskutiert. Die Elastizität des Auslegers wurde in Bezug auf die Interaktion zwischen Schneidewerkzeug (Baggerschaufel) und Oberflächenmaterial berücksichtigt. Einflüsse von Kopplungen höherer Ordnung zwischen flexiblen Deformationen, Förderseilen und Grabgegenkräften auf das dynamische Verhalten des Schaufelradauslegers werden mithilfe intensiver Simulationsstudien dargestellt. Dynamische Phänomene, die sich aus den geometrischen und dynamischen Kopplungen höherer Ordnung ergeben, die der geführten Bewegung und den Grabgegenkräften ausgesetzt sind, wurden im Detail analysiert. Die destabilisierenden Einflüsse, die zu großen Deformationen des Systems führen, beruhen auf den oben genannten Kopplungen, werden in den Simulationsergebnissen gezeigt. Das entwickelte Model sowie die damit verbundene Abbildung des dynamischen Systems liefert somit eine gute Basis für weitere Untersuchungen der Systemstabilität in Zusammenhang mit den Grabgegenkräften. Das nichtlineare dynamische System des Schaufelradauslegers wird durch ein erweitertes lineares System mit Nichtlinearitäten eines passenden fiktiven Modells für die Ansteuerungsanalyse und Designzwecke approximiert. Ein PI-Beobachter wird basierend auf diesem erweiterten linearen System eingesetzt, der alle Zustände des Systems schätzen und das Zeitverhalten der Nichtlinearitten rekonstruiert. Von diesem Standpunkt aus ist die beobachtergestützte PI-Zustandsregelung in Kombination mit einer Störungs- Kompensationsregelung realisiert. Drei Störungs-Kompensationsregelungsansätze bestehen aus dem statischen Ansatz, dem Davison Ansatz und dem erweiterten Ansatz nach dem Davison wurden zur Kompensation der Nichtlinearitäten diskutiert. Anhand von Simulationsbeispielen wird die effiziente Unterdrückung von Vibrationen und der Systemstabilisierung des Schaufelradbaggers während des Grabprozesses gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Davison Ansatz und der erweiterte Ansatz nach dem Davison die dynamische Verbesserung des Schwingungsverhaltens sowie Stabilisierung des Schaufelradbaggers gewähren können. Demnach kann die Produktivität und somit die Ertrag des Schaufelradbaggers erhöht werden.

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Luu, Quang Khanh: Stability-Oriented Dynamics and Control of Complex Rigid-Flexible Mechanical Systems Using the Example of a Bucket-Wheel Excavator. 2015.

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