Trajektorienfolgeregelung einer Klasse von verteilt-parametrischen Systemen mit verteiltem Stelleingriff und mitgeführter Sensorik

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Die regelungstechnische Behandlung von Systemen mit verteilten Parametern hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und stellt, aufgrund des unendlich-dimensionalen Charakters dieser Systeme, große Ansprüche an die Methoden zur Steuerung, Beobachtung und Regelung. Transportprozesse mit einem verteilten Stelleingriff, welche durch hyperbolische partielle Differentialgleichungen erster Ordnung mit gleicher charakteristischer Geschwindigkeit und Richtung modelliert werden, repräsentieren eine spezielle Klasse dieser Systeme. Diese Systemgleichungen beschreiben den Transport eines Mediums, welches durch den entlang des Prozesses angeordneten verteilten Stelleingriff beeinflusst wird. An die Steuerung und Regelung dieser Prozesse wird eine Reihe von Anforderungen gestellt, wie etwa die Einhaltung definierter Bereiche der Zustandsvariablen innerhalb des Prozesses sowie am Ende der Transportstrecke im Hinblick auf nachgelagerte Prozesse. Ein Beispiel hierfür ist die Temperatur des Mediums am Ausgang eines Rohrreaktors. Die Qualität der Produkte kann durch die Folge einer Referenztrajektorie deutlich erhöht werden. Unter anderem können durch die Realisierung einer definierten Temperaturtrajektorie kalte Lötstellen bei Lötstraßen verhindert werden. Ebenso wird in der Backindustrie ein hoher Aufwand betrieben, um die Backwaren definiert zu erwärmen. Die rasante Entwicklung moderner Kommunikationsmittel und deren Anwendung für die Sensortechnik bietet ein großes Potential, bisher nicht erfassbare Systeminformationen bereit stellen zu können. Ein besonderer Anwendungsschwerpunkt drahtloser Sensorik wird in der chemischen Verfahrenstechnik gesehen und genießt in der Wissenschaft großes Interesse. Die Anwendung derartiger Sensoren ist dabei besonders für Fließprozesse interessant, um sehr effizient wertvolle Informationen über diese Prozesse zu erhalten, die sonst nicht zugänglich sind. Diese Entwicklungen erlauben den Transport von drahtlosen Sensoren mit dem zu beeinflussenden Medium und eröffnen damit neue Ansätze, diese komplexen Systeme regelungstechnisch zu behandeln. In dieser Arbeit werden neue Methoden zum Steuerungs-, Beobachter- und Regelungsentwurf von Transportprozessen mit verteiltem Stelleingriff zur Lösung des Trajektorienfolgeproblems unter der Anwendung einer mit dem Medium mitgeführten Sensorik vorgestellt. Die Anwendung der drahtlosen Sensorik ermöglicht in Kombination mit der Methode der Charakteristiken eine relativ einfache Erfassung der Trajektorie der Regelgröße. Die Systembeschreibung der Prozesse mit derartigen Sensoren geht unter Anwendung der Methode der Charakteristiken von semilinearen partiellen Differentialgleichungen erster Ordnung mit zeitvarianten Ausgangsgleichungen in zeitvariante und nichtlineare gewöhnliche Differentialgleichungen mit konstanten Ausgangsgleichungen über. In der Arbeit wird aufgezeigt, dass damit konzentriert-parametrische Entwurfsverfahren herangezogen werden können, ohne dabei auf eine Approximation des Systemmodells zurückgreifen zu müssen. Darauf aufbauend wird ein strukturierter Steuerungsentwurf basierend auf flachheitsbasierten Methoden vorgestellt. Zur Lösung des Trajektorienfolgeproblems wird die so genannte Zwei-Freiheitsgrade-Struktur herangezogen, wobei zwischen Aktoren mit einer örtlich über den Prozess verteilten Wirkung und Aktoren mit einer örtlich beschränkten Wirkung unterschieden wird. Das Potenzial der Anwendung mit dem Medium mitgeführter Sensorik zur Zustandsschätzung von Transportprozessen wird ebenso aufgezeigt und Entwurfsverfahren zur Schätzung von verteilt-parametrischen sowie konzentriert-parametrischen Zustandsvariablen präsentiert. Die theoretischen Ergebnisse werden an einem im Rahmen dieser Arbeit entworfenen Durchlaufofen verifiziert. In dieser Arbeit werden somit neue Methoden zur Lösung des Trajektorienfolge- und Beobachterproblems für Transportprozesse mit verteiltem Stelleingriff vorgestellt.