Im Zuge der fortschreitenden Elektrifizierung der Fahrzeuge fällt mit steigender Effizienz die zur Verfügung stehende Abwärme des Antriebsstrangs zur Deckung des Wärmebedarfs des Innenraums. Um der dadurch reduzierten elektrischen Reichweite entgegenzuwirken, befasst sich diese Arbeit mit der Entwicklung eines ganzheitlichen energieeffizienten Thermomanagement-Systems auf Basis einer umkehrbaren Wärmepumpe, welches mit einer nichtlinearen modellprädiktiven Regelung geregelt wird. In the course of the electrification of drive systems less waste heat is generated to cover the heat demand of the passenger cabin, which results in a significantly reduced electric range in cold seasons or climate regions. This work deals with the development of a holistic energy-efficient thermal management system to avoid a range drop due to thermal conditioning and uses nonlinear model predictive control approach to exploit the full potential of the system.
Aktualisiert: 2022-08-11
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Bei Getrieben im Schwerlastbereich ermöglicht eine robuste Bauweise mit mehreren Doppelkupplungsgetrieben in Reihe, eine große Anzahl an Gängen mit einer relativ geringen Anzahl an Kupplungen bereitzustellen. Diese Bauweise hat den Nachteil eines deutlich komplexeren Schaltablaufes, falls in mehreren Gruppen gleichzeitig geschaltet werden muss. Konventionelle Verfahren führen dieses Schalten sequentiell durch, was allerdings zu unerwünschten Zwischengängen führen kann. Um dieses sequentielle Schalten zu umgehen, wird in dieser Arbeit ein systematisches Verfahren entwickelt, welches das synchrone Schalten in mehreren Gruppen gleichzeitig erlaubt.
In einem ersten Schritt wird das System, aufgeteilt in hydraulischen und mechanischen Teil, modelliert. Für den hydraulischen Kupplungspfad wird basierend auf diesem Modell eine Steuerung, sowie eine datenbasierte Steuerung basierend auf einem neuronalen Netz, vorgestellt. Mit einem Lernverfahren, dem Policy Gradient-Verfahren, können im System auftretende unbekannte, bzw. sich ändernde Parameter ausglichen werden.
Als Schaltverfahren wird ein optimierungsbasierter Ansatz mit systematischer Berücksichtigung der Beschränkungen angewendet. Zur Lösung des Optimierungsproblems wird eine erweiterte Lagrange-Methode mit einem unterlagerten Gradientenverfahren verwendet. Dieser Ansatz wird mit zwei etablierten Optimierungsverfahren verglichen, wodurch die Stärken sowie die Echtzeitfähigkeit aufgezeigt werden.
Neben einer ausführlichen simulativen Auswertung bestätigt die experimentelle Auswertung mit einem 16 t Radlader auf einem Seriensteuergerät die Ergebnisse und die Verbesserungen gegenüber dem konventionellen Verfahren. Eine Rechenzeitauswertung auf dem Seriensteuergerät belegt dazu die Echtzeitfähigkeit der beschriebenen Ansätze.
Aktualisiert: 2021-06-04
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Nichtlineare modellprädiktive Regelungsverfahren werden zunehmend zum performanten Betrieb nichtlinearer Mehrgrößensystemen eingesetzt. Der Grund hierfür liegt nicht zuletzt in der systematischen Berücksichtigung von (nichtlinearen) Beschränkungen. Typischerweise liegen die Abtastzeiten solcher Systeme im (Sub-)Millisekundenbereich und die Regelung muss in einem eingebetteten System mit begrenzten Ressourcen implementiert werden. Insbesondere in zeitkritischen Anwendungen mit limitierter Rechenleistung ist die echtzeitfähige Umsetzung von MPC-Algorithmen nach wie vor eine große Herausforderung.
Mit einer nichtlinearen Dynamik, Abtastzeiten im dreistelligen Mikrosekundenbereich und nichtlinearen Beschränkungen stellt die Drehmomentregelung elektrischer Drehstrommaschinen exakt solch eine Herausforderung dar. Um dieser Aufgabenstellung zu begegnen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein MPC-Verfahren zur schnellen und energieeffizienten Drehmomentregelung von permanenterregten Synchronmaschinen (PMSMs) und Asynchronmaschinen (ASMs) unter Berücksichtigung der Beschränkungen in der Phasenspannung sowie im Phasen- und Zwischenkreisstrom entwickelt.
Zur Erhöhung der Energieeffizienz im Hinblick auf die Kupferverluste wird in dieser Arbeit zudem sowohl für die PMSM als auch für die ASM eine neue Sollstromvorgabe vorgestellt. Die Berechnung der Sollwerte basiert auf einem hierarchischen, statischen Optimierungsproblem und stellt sicher, dass die so berechneten Sollwerte stationär alle Beschränkungen erfüllen.
Experimentelle Ergebnisse verdeutlichen die Performance der vorgestellten Regelungen in zahlreichen Szenarien. Um die erzielten Ergebnisse besser einordnen zu können, wird bei beiden Maschinen zum Vergleich auch eine klassische feldorientierte Regelung implementiert.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Hydraulische Hybridfahrzeuge nutzen die hohe Leistungsdichte hydropneumatischer Energiespeicher, um die beim Bremsen des Fahrzeugs freiwerdende Energie in Form eines komprimierten Gases (z.B. Stickstoff) zu speichern. Diese Energie kann im Stop-and-go-Verkehr für den nachfolgenden Beschleunigungsvorgang verwendet und somit ein besonders Kraftstoff sparender Betrieb erzielt werden. Mit einer Leistungsverzweigung kann der Verbrennungsmotor verlustoptimal betrieben und somit der Kraftstoffverbrauch weiter gesenkt werden. Als Wandler zwischen mechanischer und hydraulischer Energieform eignen sich für den PKW-Bereich in besonderer Weise Axialkolbenmaschinen in Schrägscheibenbauweise, da sie einen hochdynamischen und gleichzeitig verlustarmen Betrieb des Antriebsstrangs ermöglichen.
Da ein hydraulischer Hybridantrieb ein komplexes dynamisches Mehrgrößensystem ist, werden geeignete Regelungsstrategien benötigt, mit denen beispielsweise das Antriebsmoment entsprechend der Fahrpedalstellung hochdynamisch geregelt und dabei gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Eine nichtlineare modellprädiktive Regelung (MPC) kommt im Rahmen dieser Arbeit für die Schwenkwinkel- bzw. Drehzahlregelung der Axialkolbenmaschinen zum Einsatz. Sie eignet sich in besonderer Weise zur systematischen Berücksichtigung von Stellgrößen- und Zustandsbeschränkungen, wie z.B. Begrenzungen von Spannung und Strom des hydraulischen Regelventils. Für den leistungsverzweigten Antriebsstrang wird eine Momentenregelung entwickelt, die als Stelleingänge die Sollgrößen für das Moment des Verbrennungsmotors und die Schwenkwinkel der Axialkolbenmaschinen verwendet. Die überaktuierte Systemstruktur wird dazu verwendet, die stationäre Verlustleistung im Antriebsstrang zu minimieren.
Aktualisiert: 2020-07-01
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n dieser Arbeit wird ein Ansatz zur ganzheitlichen modellprädiktiven Regelung (MPC) eines Großdieselmotors mit Abgasnachbehandlung (AGN) vorgestellt. Im Gegensatz zur gängigen Praxis wird dabei die Lösung des der Regelung zugrundeliegenden Optimierungsproblems zur Laufzeit berechnet, statt dies vorab durchzuführen. Der entscheidende Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass so eine höhere Flexibilität erreicht werden kann. Dies betrifft insbesondere den Umgang mit Abweichungen vom nominellen Verhalten des Motors. Nachteilhaft ist jedoch der im Allgemeinen deutlich größere numerische Aufwand. Die Herausforderung ist daher einerseits die numerisch effiziente Lösung des Optimierungsproblems. Andererseits spielt die generelle Strukturierung der Gesamtregelung eine entscheidende Rolle bei der Reduktion des Rechenaufwandes.
Um den Rechenaufwand zu minimieren, ist die Regelung hierarchisch aufgebaut. Hierbei löst eine unterlagerte modellprädiktive Motorregelung ein Optimierungsproblem für das hochdynamische Motorsystem. Aus Sicht einer weiteren, überlagerten modellprädiktiven Gesamtregelung für den Motor inklusive der AGN verhält sich der geregelte Motor quasistatisch, wohingegen die Dynamik des zugehörigen Optimierungsproblems das Verhalten der AGN beschreibt. Diese überlagerte Schicht berechnet die zusätzlichen Referenzwerte für die unterlagerte Regelung so, dass sich ein optimaler Betrieb des Gesamtsystems einstellt.
Die Lösung der resultierenden nichtlinearen Optimierungsprobleme erfolgt durch eine Adaption der erweiterten Lagrange-Methode für MPC-Anwendungen. Für die echtzeitfähige Lösung wird dabei ein zugeschnittenes Gradientenverfahren mit expliziter Liniensuche verwendet. Die hohe damit erzielte Regelgüte wird experimentell und simulativ nachgewiesen.
Aktualisiert: 2020-01-17
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In der Stahlindustrie werden Durchlaufglühöfen zur Wärmebehandlung von Bandprodukten verwendet. Die Wärmebehandlung verbraucht große Mengen an Energie, ist kostenintensiv und hat direkte Auswirkungen auf die Produktqualität. Um die hohen Anforderungen an die Qualität des Endprodukts zu erfüllen, muss jedes Band im Glühofen auf eine definierte Zieltemperatur erwärmt werden. Da es sich bei einem Glühofen um ein komplexes thermodynamisches Mehrgrößensystem mit vielfältigen Abhängigkeiten handelt, ist die Regelung der Bandtemperatur eine anspruchsvolle Aufgabe.
In dieser Arbeit wird ein modellprädiktives Regelungskonzept für die Bandtemperatur in einem kombiniert direkt- und indirekt-befeuerten Glühofen vorgestellt. Das Regelungskonzept bestimmt optimale Trajektorien für die Brennstoffzufuhr und die Bandgeschwindigkeit so, dass die Bandtemperatur auf die gewünschte Zieltemperatur geregelt wird. Darüber hinaus maximiert der Regler den Produktdurchsatz und minimiert den Energieverbrauch.
Die Leistungsfähigkeit des entwickelten modellbasierten Temperaturreglers wird in einer software-basierten Simulationsumgebung unter Verwendung von Prozessdaten der Pilotanlage nachgewiesen. In dieser Simulationsumgebung wird anstelle des realen Glühofens ein mit Messdaten validiertes Ofenmodell verwendet. Das Potential des Reglers zur Erhöhung der Regelungsgenauigkeit, zur Maximierung des Materialdurchsatzes und zur Minimierung des Energieverbrauchs wird schließlich anhand unterschiedlicher Kennzahlen einer Pilotanlage dargestellt.
Aktualisiert: 2021-12-20
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