Model predictive control for an insulated cool box with redundant refrigeration circuits

Abstract

Die Inhalte der vorliegenden Dissertation sind im Laufe eines Kooperationsprojektes zwischen dem Institut für Mechanik und Mechatronik (Abteilung für Regelungstechnik und Prozessautomatisierung) und der Firma Liebherr-Transportation Systems GmbH & Co KG, Korneuburg als Industriepartner entstanden. Ausfallsicherheit und Energieeinsparung beim Lebensmitteltransport ist ein aktuelles Thema, welches in dieser Arbeit behandelt wird. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung neuer Methoden für redundante und energieeffiziente Temperaturregelung, welche mit modellprädiktiver Regelungsstrategie umgesetzt wurde und der Beobachtung von nicht messbaren Störungen sowie Alterung des Kühlanhängers. In dieser Dissertation wird ein modellprädiktives Regelungskonzept für die Temperaturregelung eines Kühlanhängers mit redundanten Kälteaggregaten präsentiert. Die Auflösung widersprüchlicher Optimierungsziele, wie die genaue Einhaltung der Temperatur, die Minimierung des Energieverbrauchs und des Verschleißes, stellt eine große Herausforderung dar. Da die Dynamiken der Teilsysteme sehr unterschiedlich sind, ist ein hierarchisches Regelungskonzept vorteilhaft. Das komplexe nichtlineare Optimierungsproblem wurde in mehreren Teilproblemen aufgeteilt. Für die Temperaturregelung des Kühlanhängers wird eine lineare modellprädiktive Regelung verwendet, welcher in der Lage ist widersprüchliche Ziele zu lösen, indem Wettervorhersagen berücksichtigt aber auch Beschränkungen eingehalten werden. Bei der komplexen Regelung der Kälteaggregate ist eine gemischt-ganzzahlige Optimierung notwendig. Um Faktoren wie die Sonneneinstrahlung und die Alterung des Kühlanhängers berücksichtigen zu können wurde ein Beobachter entwickelt, welcher in der Lage ist die Störeinträge zu separieren.

The content of this thesis originated in the course of a research project between the Institute of Mechanics and Mechatronics (Division of Control and Process Automation) and Liebherr-Transportation Systems GmbH & Co KG as industrial partner. A current issue of potentials for reliability and saving energy in food transportation is discussed in this work. The research was focused on the development of new methodologies for redundant and energy-efficient temperature control and disturbance observation. In this context a model predictive control strategy and an observer for unmeasured disturbances and aging of the insulated cool box has been developed. In this PhD Thesis a model predictive control concept for temperature control of an insulated cool box with redundant refrigeration systems is presented. Conflicting optimization goals naturally arise, where the strict adherence of the temperature, the minimization of energy consumption and wear poses major challenges. As the dynamics of the subsystems are different a hierarchical control concept is advantageous. The complex nonlinear optimization problem has been split into a set of subproblems. For the temperature control of the insulated cool box a linear model predictive control is utilized, which is able to solve conflicting goals by taking weather predictions into account and by consideration of constraints. For the more complex control of the refrigeration systems a mixed-integer optimization is necessary. To be able to consider other factors as the solar irradiation and the aging of the insulated cool box an observer was designed, which is able to separate these disturbance impacts.