Modellierung und Regelung eines Drei-Tank-Systems

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung, Identifikation und Regelung des Laborversuches "Drei-Tank-System" der Firma amira. Der Laborversuch kann in unterschiedlichen Konfigurationen betrieben werden. In dieser Arbeit wird zunächst ein Zwei-Tank-System, das ein Eingrößensystem (SISO) darstellt, und die Konfiguration mit allen drei Tanks, die ein Mehrgrößensystem (MIMO) darstellt, betrachtet.<br />Zu Beginn der Arbeit werden die nichtlinearen Modelle für das Zwei-Tank-System und für das Drei-Tank-System auf Basis von physikalischen Überlegungen hergeleitet. Anschließend werden die Sensoren, die Aktoren sowie die Parameter, die das Durchflussverhalten durch die Ventile beschreiben, identifiziert, und das Modell wird anhand von Messungen verifiziert.<br />Schließlich wird für die beiden Systeme/Konfigurationen eine exakt zustandslinearisierende Folgeregelung entworfen, deren Funktion anhand von Simulations- und Messergebnissen demonstriert wird. Zusätzlich wird noch die Möglichkeit der Rauschunterdrückung mit Hilfe eines Extended Kalman-Filters untersucht.<br />

This diploma thesis deals with the modelling, identification, and control of the laboratory experiment "Three Tanks System" by amira. The system can be operated in different configurations. In this work, however just two configurations are taken into account:<br />A configuration with two tanks, which is a system with single input and single output (SISO), and a configuration with three tanks, which is a system with multiple inputs and multiple outputs (MIMO).<br />At the beginning of the work, the non-linear mathematical model of the two tank system and of the three tank system are presented based on physical considerations. Then the sensors, the actuators and the parameters of the flow characteristics of the valves are identified and the model is verified using these measurements.<br />Finally a tracking controller based on exact linearization is designed for both configurations.<br />The effect of the controller is demonstrated and evaluated by means of simulation and measurement results. Furthermore, the possibility of the noise reduction by using an Extended Kalman Filter is investigated and discussed.