Beobachtungs- und Regelungskonzepte für Gegenstromwärmetauscher basierend auf Semi-Diskretisierungen unter Berücksichtigung typischer Temperatursensorik

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden unterschiedliche Beobachter- und Regelungskonzepte zur Zustandsschätzung und Regelung der Auslauftemperatur eines Gegenstromwärmetauschers untersucht.<br />Die zur Beschreibung des verteilt-parametrischen Modells des Gegenstromwärmetauschers notwendigen partiellen Differentialgleichungen werden mit Hilfe verschiedener Finite-Elemente- und Finite-Volumen-Methoden durch ein konzentriert-parametrisches System approximiert. Analysen im Frequenz- und Zeitbereich zeigen dabei, dass die Finite-Volumen-Methode mit QUICK-Interpolation die geeignetsten Approximationseigenschaften aufweist, weshalb diese Methode zur Herleitung eines niedrigdimensionalen Beobachter- und Reglerentwurfsmodells genutzt wird. Darauf aufbauend wird im ersten Schritt ein Extended-Kalman-Filter entworfen. Dabei wird ein adaptiver Least-Squares-Schätzer genutzt, um die nicht vernachlässigbare Dyanmik der Temperatursensoren der Einlauftemperaturen zu kompensieren.<br />Anschließend werden zwei Regelungskonzepte entwickelt, nämlich eines basierend auf der exakten Eingangs-Ausgangs-Linearisierung sowie ein modellprädiktiver Regler. Abschließend werden die entworfenen Beobachter- und Regelungsstrategien mit Hilfe von Simulationen und Experimenten validiert.<br />

The aim of this thesis is the design of a state observer and two different feedback controllers for the outlet temperature of a countercurrent heat exchanger. The mathematical model of the countercurrent heat exchanger can be modeled as a distributed-parameter system. The underlying partial differential equations of the model are approximated by a system of ordinary differential equations exploiting different finite-element and finite-volume methods. Analysis in frequency and time domain show that the finite-volume method with QUICK interpolation has the best approximation behavior, which is why this method is used in order to derive a low order observer and controller design model. First, an extended Kalman filter is designed. Thereby an adaptive least squares estimator is used in order to compensate for the dominant dynamics of the inlet temperature sensors.<br />Then, two controllers are developed, namely one based on the exact input-output linearization and a model predictive controller. Finally, the developed observer and control strategies are validated by means of simulation and measurement results.