Regelung von pneumatisch betätigten Ventilen für gasförmige Medien

Abstract

Diese Arbeit beschreibt die Erstellung, Identifikation und Validierung eines mathematischen Modells sowie die Regelung eines pneumatisch aktuierten Schmetterlingsventils. Solche Ventile finden weitverbreitete Anwendung in der Prozessindustrie. Einleitend wird eine kurze Analyse des vorliegenden Industriestandards anhand eines Samson Stellungsreglers (PD-Positionsregler) durchgeführt. Aufbauend auf dieser Analyse werden die Regelungsziele formuliert. Die Realisierung einer modellbasierten Regelungsstrategie, im konkreten Fall der Eingangs-Ausgangslinearisierung, erfordert ein genaues mathematisches Modell. Bestimmte Parameter des pneumatischen Aktuators müssen über geeignete Identifikationsroutinen geschätzt werden. Beispielsweise die Federsteifigkeit wird über ein speziell konzipiertes Experiment messtechnisch ermittelt. Auf Basis der geschätzten Parameter kann ein residuales Moment berechnet werden, mit dessen Hilfe die Reibung ermittelt werden kann. Eine bleibende Abweichung zwischen Modell und Realität ist hauptsächlich dem komplexen Verhalten der Reibung in pneumatischen Aktuatoren geschuldet. Hierfür wurden drei unterschiedliche Reibmodelle, nämlich das LuGre, das Dahl und ein druckabhängiges, heuristisches Reibmodell, verglichen. Die Simulations- und Messergebnisse zeigen, dass das heuristische Modell in Verbindung mit einer flachheitsbasierten Vorsteuerung und einer Ausgangsstabilisierung zu einer hohen Regelgüte führt.

This thesis discusses the mathematical modelling, identification, validation, and the control of a pneumatically actuated butterfly valve. Such valves are commonly applied in the process industry. At the beginning, a short analysis of the state of the art is conducted on the basis of a Samson Electropneumatic Positioner. Based on this analysis, control objectives are specified. The implementation of a model-based control strategy, in this case the input-output linearization, demands an accurate mathematical model. Some parameters of the pneumatic actuator have to be estimated by suitable identification routines. For instance,the spring stiffness is measured in a dedicated experiment. Based on the estimated parameters a residual torque can be calculated which serves as the basis for the identification of the friction. The main reason for a remaining model-plant mismatch is the complex behaviour of the friction in pneumatic actuators. Three different friction models are tested, i.e., the LuGre model, the Dahl model, and a pressure dependent heuristic model. Simulation and measurement results show that the heuristic model in combination with a flatness-based feedforward controller and an output stabilization yield a good performance of the closed-loop system.