Intervallmethoden zur robusten modell-prädiktiven und strukturvariablen Regelung von SOFC-Brennstoffzellensystemen: VerIPC-SOFC

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Harald Aschemann; Professor Dr.-Ing. Andreas Rauh
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 181600177

Intervallmethoden sind ein leistungsfähiges Werkzeug zur Parameteridentifikation, wobei in den letzten Jahren Entwicklungen hin zu einem echtzeitfähigen Einsatz im Rahmen der robusten Regelung und Zustandsschätzung erfolgten. Diese Regelungen und Beobachter machen sich insbesondere strukturvariable und modell-prädiktive Methoden sowie sensitivitätsbasierte Ansätze zu Nutze. Durch die Antragsteller am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Rostock konnte die Leistungsfähigkeit dieser neuartigen Methoden und Implementierungen bereits für ausgewählte Anwendungen in Simulationen und Laborexperimenten nachgewiesen werden.Im Gegensatz zu Laborbereich ist der Verbreitungsgrad von Intervallmethoden in der industriellen Praxis jedoch nachwievor relativ stark begrenzt. Dies ist insbesondere darin begründet, dass sich Intervallmethoden für den Offline-Reglerentwurf sowie für die Online-Reglerumsetzung durch eine Vielzahl problemspezifischer Algorithmen auszeichnen. Daher wurden im Rahmen der ersten beiden Förderperioden dieses Forschungsvorhabens grundlegende Implementierungen erstellt und publiziert, die möglichst allgemein für die Identifikation, Regelung und Zustandsschätzung mit Intervallmethoden einsetzbar sind. Hierbei lag der Fokus auf einem sicheren instationären Betrieb von Hochtemperatur-Brennstoffzellen. Auf Basis möglichst niedrigdimensionaler, regelungsorientierter Beschreibungen der nichtlinearen Dynamik eines SOFC-Brennstoffzellensystems wurden dabei Ansätze zur garantierten Parameteridentifikation entwickelt und mit experimentellen Daten validiert. Diese Identifikation, welche bei Nutzung von Intervallmethoden zu Toleranzbereichen für die nicht direkt messbaren Größen führt, ist in der Lage, strukturelle Mehrdeutigkeiten in der Systemparametrierung zu erkennen und einem garantiert stabilisierenden Regelungsentwurf zur Verfügung zu stellen.Um trotz dieser Unsicherheiten robuste Regelungsansätze implementieren sowie lebensdauerkritische Betriebszustände und Degradationen frühzeitig zu erkennen, werden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens Intervallmethoden für eine Echtzeit-Regelung weiterentwickelt. Regelungsansätze, für die in den bisherigen Förderperioden Eingrößensysteme (SISO: single-input single-output) im Fokus standen, sollen nun auf Fragestellungen mit mehreren Ein- und Ausgangsvariablen verallgemeinert werden.Aufbauend auf diesen Mehrgrößenregelungen erfolgt eine Optimierung des Gesamtsystemwirkungsgrades, wofür es notwendig ist, Peripheriekomponenten des SOFC-Systems wie Gasvorheizer und Abgaskatalysatoren in die Modellbeschreibung sowie die intervallbasierten Regelungsansätze zu integrieren.Alle entwickelten Verfahren sollen durch numerische Simulationen und Experimente an einem verfügbaren SOFC-Prüfstand verifiziert und validiert werden. Die entwickelten Software-Routinen sollen in verallgemeinerter Form zur Veranschaulichung der Nutzung von Intervallmethoden einer breiten Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen