Design, implementation, and experimental validation of a model predictive control scheme for a small-scale refrigerated truck

Abstract

Energy consumption of refrigerated road transport will rise significantly in the future.In particular, frequent door openings, typical for small-scale refrigerated trucks, strainthe energy efficiency and compliance with temperature requirements of such trucks.Numerous improvements have been made regarding the hardware in recent years, butlittle was done in terms of advanced temperature controllers to take advantage of modernhardware. Especially refrigeration systems with a secondary storage loop show thepotential to benefit greatly from dedicated control schemes. This thesis proposes a sophisticatedmodel-based predictive temperature controller for a small-scale refrigeratedtruck, which explicitly considers door openings in the control action. Therefore, a lowordermodel suitable for control application was developed. The switching behavior ofthe components was described with a discrete hybrid automaton modeling approach,resulting in a hybrid model. The proposed model and controller were evaluated usingexperimental measurements on a test bench. Applied to the experimental setup, thepresented hybrid model has an excellent fit to the measurement data and consequentlyprovides accurate predictions to the controller. To evaluate the performance of theproposed temperature controller, it is compared with a state-of-the-art proportionalintegralcontroller. Experimental results show that the predictive controller can reduceenergy consumption by up to 34.2% during a single door opening compared to thereference controller, with similar performance in terms of temperature compliance. Intotal, the model-based predictive controller saved 17.4% of energy during a 5.25 hourexperiment with 4 door openings. Moreover, another model-based predictive controlleris presented for reference. This thesis shows that a sophisticated predictive temperaturecontroller can exploit the full potential of modern refrigeration hardware and achievesubstantial energy savings.

Kühlfahrzeuge sind für die Kühlketten von Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten von großer Bedeutung und die Nichteinhaltung der Temperaturanforderungen führt zu hohen finanziellen Verlusten. Aufgrund ihrer hohen Treibhausgasemissionen tragen Kühlfahrzeuge aber auch erheblich zur globalen Erwärmung bei. Emissionsbeschränkungen und wirtschaftliche Aspekte legen daher die Entwicklung energieeffizienterer Kühlfahrzeuge nahe, die auch Temperaturbeschränkungen sehr genau einhalten können. Hierfür ist nicht nur moderne Hardware wie hochwertige Kühlaggregate von großer Bedeutung, sondern auch durchdachte Steuerungsalgorithmen. Vor allem Türöffnungen haben einen großen Einfluss auf die Energieeffizienz und die Einhaltung der Referenztemperatur. Speziell kleine Kühlfahrzeuge, die oft für den Nahtransport eingesetzt werden, verzeichnen deutlich häufiger Türöffnungen als große Kühlfahrzeuge, die für den Langstreckentransport verwendet werden. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit einem modellprädiktiven Regelkonzept für kleine Kühlfahrzeuge, welches Türöffnungen explizit berücksichtigt. Um den Regler unter realen Bedingungen zu testen, wurden experimentelle Untersuchungen an einem Prüfstand angestellt. Das mathematische Modell der Regelstrecke wurde daran identifiziert und validiert und zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messdaten. Da die Dynamik sowohl durch schaltende als auch kontinuierliche Größen beschrieben wird, handelt es sich um ein hybrides Modell. Um die Leistungsfähigkeit des Reglers zu evaluieren wurde ein Vergleich mit einem Proportional-Integral Regler angestellt, der den derzeitigen Stand der Technik bei Temperaturreglern für Kühlfahrzeuge darstellt. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die modellprädiktive Regelung im Vergleich zur Proportional-Integral-Regelung bis zu 34,2% der elektrischen Energie während einer Türöffnung einsparen kann, wenn die Türöffnung im Voraus bekannt ist. Insgesamt konnte der Regler während eines 5,25 stündigen Versuchs mit 4 Türöffnungen 17,4% an Energie im Vergleich zum Referenzregler einsparen. Darüber hinaus wurde der Regler in dieser Arbeit mit einem weiteren modellprädiktiven Ansatz verglichen. Die Arbeit zeigt, dass mit einem fortschrittlichen Regelungssystem für ein Kühlfahrzeug, das das Öffnen der Türen explizit berücksichtigt, im Vergleich zu einem herkömmlichen Regler große Mengen an Energie eingespart werden können.