Modellierung, Analyse und nichtlineare modellbasierte Regelung von verstellbaren Axialkolbenpumpen

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem modellbasierten Reglerentwurf für das hydraulische System einer Spritzgießmaschine. Die Anforderungen an das hydraulische System sowie an den Regler werden dabei direkt vom Spritzgießprozess abgeleitet. Betrachtet man den Spritzgießprozess näher, so sind für das hydraulische System die folgenden beiden Phasen interessant: (A) die Füllphase und (B) die Nachdrückphase. Die Nachdrückphase dient dazu, die Volumenänderung des Spritzgießteils infolge der Abkühlung durch Nachdrücken von flüssigem Kunststoff zu kompensieren. Die standardmäßig verwendeten Regelungskonzepte beinhalten verschiedene Regler für jede Phase, zwischen denen über eine Schaltlogik umgeschaltet wird. Normalerweise werden für diese Regelungsaufgabe lineare Regelungskonzepte verwendet. Der Nachteil dabei ist aber, dass die Hydraulik von Natur aus Nichtlinearitäten beinhaltet, wodurch in weiterer Folge die dynamischen Eigenschaften der geschlossenen Regelkreise abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt sind. Daher liegt der Hauptfokus dieser Arbeit am modellbasierten nichtlinearen Reglerentwurf, um damit die dynamischen Eigenschaften und in weiterer Folge die Produktqualität des Spritzgießteils zu verbessern. Für die systematische Vorgehensweise beim Reglerentwurf wird zunächst ein physikalisch-basiertes mathematisches Modell des hydraulischen Systems hergeleitet. Aufgrund der Komplexität des mathematischen Modells wurde dieses genauer im Hinblick auf sinnvolle Modellvereinfachungen analysiert. Basierend auf einem der singulären Störtheorie beruhenden vereinfachten Modell wird dann ein Regler für die Füll- und Nach-drückphase entwickelt. Die Herausforderung dabei ist vor allem die Entwicklung eines Reglers für die Nachdrückphase bzw. für den Übergang von der Füll- in die Nachdrückphase. Dies ist hauptsächlich dadurch begründet, dass hohe Anforderungen an die dynamischen Eigenschaften des geschlossenen Kreises gestellt werden, die Last unbekannt ist und das mathematische Modell einen schaltenden Charakter aufweist. Aus diesem Grund wurde ein Regelungskonzept entwickelt, welches aus einer inverionsbasierten Vorsteuerung, einer Stabilisierung des Trajektorien-fehlersystems und einem nichtlinearen Parameterschätzer für die unbekannte Last besteht. Als spezielle Herausforderung stellte sich der Nachweis der Stabilität des schaltenden Systems heraus, welcher aber mithilfe einer so genannten gemeinsamen Lyapunovfunktion gelöst werden konnte. Schlussendlich wird die Güte des entwickelten Regelungskonzeptes anhand von Simulationen und ausführlichen Messungen am Prüfstand verifiziert.