Modellbasierte Prädiktive Regelung skalierbarer thermischer Prozesse

• Model-Based Predictive Control of Scalable Thermal Processes

Zöller, Daniel; Abel, Dirk (Thesis advisor); Horn, Martin (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Thermische Prozesse werden heutzutage in den unterschiedlichsten Bereichen der Technik eingesetzt. Ihnen allen ist gemein, dass die Temperatur eine wichtige Prozessgröße darstellt, die oft mit höchster Genauigkeit geregelt werden muss. Eine Regelung dieser Anlagen erfolgt im industriellen Umfeld üblicherweise mit klassischen PID-Regelkreisen, welche für die speziellen Anforderungen der jeweiligen Anlage optimiert werden. Hierbei gilt es jedoch immer einen Kompromiss zwischen einem guten Führungsverhalten und ausreichender Störunterdrückung einzugehen. Zudem ist eine exakte Parametrierung des Reglers häufig, insbesondere bei langsamen Strecken, sehr zeitaufwendig, wodurch dieser oft abseits seiner optimalen Einstellung betrieben wird. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellbasiertes prädiktives Regelungskonzept (MPR) zur Optimierung des dynamischen Verhaltens von thermischen Prozessen vorgestellt und anschließend durch Implementierung an zwei industriellen Prozessen evaluiert. Das vorgestellte Konzept verwendet ein nichtlineares dynamisches Prozessmodell der Regelstrecke und besteht aus einer Kombination aus nichtlinearem Zustandsschätzer in Form eines Extended Kalman Filters und einer linearen zeitvarianten MPR. Für eine einfache und intuitive Übertragbarkeit der Regelung ist dem Regler ein physikalisches Modell zugrunde gelegt. Aufgrund der hohen Bedeutung des Prozessmodells wird zu Beginn der Arbeit eine Einführung in die Modellbildung gegeben und die grundlegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung von thermischen Prozessen werden vorgestellt. Damit lässt sich ein entsprechendes Prozessmodell auf einfache und nachvollziehbare Weise entwickeln und an die unterschiedlichen Prozesse anpassen. Zur Validierung dieses Regelungskonzepts wird die zuvor beschriebene Methodik zunächst auf die thermische Hochvakuumverdampfung angewendet. In einem ersten Schritt erfolgt die Analyse und Entwicklung eines dynamischen Prozessmodells für das Temperaturverhalten. In einem zweiten Schritt wird zur Bedatung der Modellgleichungen eine Parameteridentifikation durchgeführt. Anschließend erfolgt die Umsetzung und Implementierung der Regelung an einer Technikumsanlage. Zur Bewertung der Übertragbarkeit wird die Methodik auf die thermische Konditionierung und Umweltsimulation, den zweiten hier betrachteten Prozess, angewendet. Zunächst erfolgt die Regelung der Prüfraumlufttemperatur. Hierzu wird das thermische Verhalten der Anlage untersucht und für eine Regelung hinreichend genau modelliert. Für die Erprobung des Regelungskonzepts wird der Regelalgorithmus direkt in der Prozesssteuerung implementiert. Danach wird das zuvor entwickelte Prozessmodell um den physikalischen Einfluss der relativen Luftfeuchte erweitert und der Regelalgorithmus angepasst. Zur Untersuchung der Skalierbarkeit wird der Regelalgorithmus in einem letzten Schritt auf eine ähnliche Anlage gleicher Baureihe übertragen. Die Bewertung des Regelungskonzepts erfolgt durch einen direkten Vergleich der Messungen mit PID-Regelung und MPR. Allgemeines Ziel der Arbeit ist es, neben den notwendigen Grundlagen der modellbasierten prädiktiven Regelung von thermischen Prozessen, die wesentlichen Entwicklungsschritte von der Modellierung bis hin zur Implementierung an der realen Anlage zu beschreiben und die notwendigen Kenntnisse zur Reglerwartung und -weiterentwicklung zu geben.