Modellfolgeregelung für die Trajektorienfolgeregelung von nichtlinearen Systemen

• Antragsteller: Dr. Kai Wulff
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508065537

Gegenstand des Vorhabens ist das Folgeregelungsproblem für Regelungssysteme mit nichtlinearer Dynamik. Dabei soll der betrachtete Prozess einer vorgegebenen Trajektorie auch unter dem Einfluss von Störungen und Modellunsicherheiten folgen.Insbesondere wird von einem Anwendungsszenario ausgegangen, bei dem eine Solltrajektorie nicht vorab bekannt ist, sondern erst zur Laufzeit des Prozesses vorgegeben wird. Somit kann eine passende Vorsteuerung nicht bereits bei der Prozessinitialisierung berechnet werden. Bei typischen, dem Stand der Forschung entsprechenden Ansätzen werden meist weitere Anforderungen (z. B. Differenzierbarkeitsanforderungen) an die Solltrajektorie gestellt. Solche Einschränkungen sollen in der Problemstellung dieses Vorhabens reduziert oder ganz verworfen werden. Mit Blick auf die Praxisrelevanz soll bei der Regelung ausschließlich auf messbare Prozessgrößen zugegriffen werden.Zentraler Ansatz des Vorhabens ist die sog. Modellfolgeregelungsstruktur. Bei diesem etablierten Ansatz wird ein kompletter Regelkreis bestehend aus Prozessmodell und Reglers zur Prozesslaufzeit simuliert und die so erhaltene Stellgröße auf den Prozess im Sinne einer Vorsteuerung gegeben. Störungen und Modellabweichungen werden durch einen weiteren, den sog. Prozessregler kompensiert. Die meisten Untersuchungen und Anwendungen dieses Ansatzes beziehen sich bislang auf Systeme mit linearer Dynamik oder verwenden eine lineare Approximation der Dynamik im Modellregelkreis.Im Vorhaben werden nichtlineare Systeme in Byrnes-Isidori Form betrachtet. Diese Darstellung erlaubt es, zwischen der externen und internen Dynamik zu unterscheiden. Durch die Verwendung des nichtlinearen Modells im Modellregelkreis ist es möglich, eine Trajektorie aus Vorsteuerung und Ausgang zu generieren, die eine Lösung der (nominellen) Dynamik darstellt, selbst wenn dies eine ursprüngliche Solltrajektorie möglicherweise nicht ist. Im Modellregelkreis steht der vollständige Zustandsvektor für das Regelgesetz zur Verfügung. Dadurch kann die Lösung im Modellregelkreis deutlich reichhaltiger gestaltet werden und so z. B. direkt auf die interne Dynamik Einfluss genommen werden. Bis zu einem gewissen Grad spiegelt sich dies in der so generierten Vorsteuerung wider, die dem Prozesskreis aufgeprägt wird. Damit kann eine Entlastung des Reglers im Prozessregelkreis erzielt werden, der ausschließlich auf die messbaren Zustände zurückgreifen kann.Das Vorhaben zielt auf Fortschritte bei der Robustheit und bei der gezielten Manipulation der internen Dynamik von Prozessen ab. Dabei liegt der Schwerpunkt auf theoretischen und strukturellen Untersuchungen. Jedoch werden auch typische Anwendungsbeispiele betrachtet, um sowohl praxisrelevante Aspekte beim Entwurf zu berücksichtigen als auch quantitative Aussagen zu gewinnen. Zum Nachweis der Echtzeit-Tauglichkeit werden die gefundenen Algorithmen an am Lehrstuhl zur Verfügung stehenden Versuchsständen implementiert und untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Johann Reger