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at - Automatisierungstechnik

Methoden und Anwendungen der Steuerungs-, Regelungs- und Informationstechnik

[AT - Automation Technology: Methods and Applications of Control, Regulation, and Information Technology
]

Editor-in-Chief: Jumar, Ulrich


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ISSN
0178-2312
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Volume 67, Issue 8

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Beobachterentwurf für ein Einzelradfahrwerk eines neuartigen Schienenfahrzeugs

Observer design for an innovative railway vehicle with independently rotating wheels

Alexander Keck
  • Corresponding author
  • Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik, DLR e. V., Münchener Str. 20, 82234 Weßling, Germany
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/ Christoph Schwarz / Thomas Meurer
  • Lehrstuhl für Regelungstechnik, Technische Fakultät, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Kaiserstraße 2, 24143 Kiel, Germany
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Published Online: 2019-07-31 | DOI: https://doi.org/10.1515/auto-2019-0040

Zusammenfassung

Im Projekt „Next Generation Train“ (NGT) bündelt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) seine Schienenfahrzeugforschung. Der NGT ist ein Konzept für einen energieeffizienten Ultrahochgeschwindigkeitszug mit Einzelrad-Einzelfahrwerken. Diese erfordern eine Regelung der Lateraldynamik, um eine Spurführung mit reduziertem Verschleiß zu ermöglichen. Auf offener Strecke ist die direkte Messung der Querverschiebung schwer zu realisieren. Dieser Beitrag zeigt auf, mit welcher Sensorkonfiguration es möglich ist, die laterale Position durch einen nichtlinearen Beobachter schätzen zu können. Auf Grundlage der nichtlinearen Bewegungsgleichung und ausgewählter Sensorkonfigurationen wird die Beobachtbarkeit analysiert. Abschließend werden ein Extended und ein Unscented Kalman-Filter für die drei Sensorkonfiguration auf einem Echtzeitsystem implementiert und validiert.

Abstract

In the long-term project “Next Generation Train” (NGT) the German Aerospace Center (DLR) concentrates its railway research. The NGT is an energy efficient high speed train concept using independently rotating wheels. This configuration requires an advanced control of the lateral dynamics to enable track guidance and wear reduction. However, the direct measurement of the lateral wheel-pair position is difficult in a practical environment. This article deals with the question which sensor configuration enables an appropriate estimation of the lateral displacement with a nonlinear observer. Therefore, an observability analysis of the nonlinear system in combination with different sensor configurations is carried out. Finally, an Extended and an Unscented Kalman Filter are implemented and validated on a real-time environment.

Schlagwörter: Nichtlinearität; Beobachtbarkeit; Beobachter; Extended Kalman-Filter; Unscentend Kalman-Filter; Schienenfahrzeug

Keywords: nonlinearity; observability; observer; extended Kalman filter; unscentend Kalman filter; railway vehicle

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About the article

Alexander Keck

Alexander Keck M.Eng. arbeitet seit 2012 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik in der Abteilung Fahrzeug-Systemdynamik am Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) in Oberpfaffenhofen. Er erhielt seine B.Eng. und M.Eng. Abschlüsse im Studiengang Mechatronik an der Hochschule Bochum.

Christoph Schwarz

Seine B.Sc. und M.Sc. Abschlüsse erhielt Herr Schwarz an der Maschinenwesen Fakultät der Technischen Universität München (TUM). Seit 2014 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Systemdynamik und Regelungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR e.V.) in Oberpfaffenhofen.

Thomas Meurer

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Meurer ist Leiter des Lehrstuhls für Regelungstechnik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.Hauptarbeitsgebiete: Regelungstheorie nichtlinearer und verteiltparametrischer Systeme, modellbasierte Prozessführung, mechatronische Systeme.


Received: 2019-03-21

Accepted: 2019-06-17

Published Online: 2019-07-31

Published in Print: 2019-08-27


Citation Information: at - Automatisierungstechnik, Volume 67, Issue 8, Pages 682–692, ISSN (Online) 2196-677X, ISSN (Print) 0178-2312, DOI: https://doi.org/10.1515/auto-2019-0040.

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