Modellfolgeregelung für die Trajektorienfolgeregelung von nichtlinearen Systemen mittels Ausgangsrückführung

• 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 dieses Ansatzes verwenden eine lineare Dynamik im Modellregelkreis (MCL). Unser Forschungsansatz zielt auf die Analse der Modellfolgeregelung unter Verwendung der nominellen nichtlinearen Prozessdynamik im MCL. Dies ist ein Fortsetzungsantrag. Für verschiedene Regelungsszenarien konnte nachgewiesen werden, dass die MFC Struktur mit einem nichtlinearen Modell im MCL die Robustheit gegenüber vergleichbarer einschleifiger Regelkreise erheblich erhöht. So kann sowohl das geschätzte Einzugsgebiet bei der Betriebspunktregelung signifikant vergrößert werden, als auch das sogenannte Peaking-Phänomen bei high-gain Reglern oder unstetigen Regelgesetzen vermieden werden. Allerdings wurde bislang hauptsächlich Betriebspunktregelungen betrachtet und häufig angenommen, dass die Prozesszustände verfügbar sind. Dieser Fortsetzungsantrag zielt nun auf die Erweiterung der Ergebnisse auf eine reine Ausgangsrückführung, der Folge dynamischer Solltrajektorien sowie die Betrachtung von Beschränkungen in Eingangs- oder Zustandsgrößen. Wir untersuchen Stabilität und Robustheit der nichtlinearen MFC Struktur hinsichtlich verschiedener System- und Störungsklassen. Dabei sollen sowohl statische als auch dynamische Ausgangsrückführungen, wie z. B. beobachterbasierter Ansätze und Verfahren mit dynamischer Erweiterung, betrachtet werden. Als Bezugsgröße für die betrachteten Verfahren dient ein entsprechend entworfener einschleifiger Regelkreis. Die praktische Erprobung der Verfahren soll anhand verschiedenen Fallstudien durchgeführt werden.

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