Malchow, F: Entwurf von Steuerungen für verteiltparametrisch

bei thermischen Prozessen aufgrund der technischen Realisierung der Stellglieder üblicherweise durch eine feste örtliche Einflussfunktion charakterisiert und kann nur in deren Amplitude zeitlich variiert werden. Bisher wird der Entwurf von Steuerungen für SVP vor allem bezüglich Randeingriffen oder punktweisen Eingriffen behandelt, während örtlich verteilte Eingänge nur in wenigen Spezialfällen untersucht werden.Mit dieser Arbeit wird ein neues Verfahren zum Entwurf von Steuerungen für SVP mit örtlich verteilten Eingängen vorgestellt. Die behandelte Steuerungsaufgabe zielt auf die Realisierung eines gewünschten Verlaufs der Ausgangsgröße ab, um somit beispielsweise einen Arbeitspunktwechsel durchzuführen. Der wesentliche Beitrag der Arbeit besteht in der Inversion der Ein-/Ausgangsdynamik der SVP. Auf Grundlage des inversen Modells werden einerseits Bedingungen für realisierbare Ausgangstrajektorien abgeleitet und andererseits Steuerungen in Abhängigkeit entsprechend geplanter Referenzverläufe bestimmt. Der Zugang zur Inversion der SVP erfolgt dabei in zwei Schritten: Zunächst wird eine Transformation durchgeführt, um die partiellen Differentialgleichungen der SVP, in denen der örtlich verteilte Eingang als Quellterm auftritt, zu homogenisieren. Dies führt zu einer neuen Darstellung der Systemdynamik in Form einer Reihenschaltung eines konzentriertparametrischen Teilsystems mit einem randgesteuerten verteiltparametrischen Teilsystem. Dabei ist die Verschaltung der beiden Teilsysteme günstigerweise derart, dass es gelingt, die Inversion des SVP bezüglich des örtlich verteilten Eingangs auf die Inversion des konzentriertparametrischen Teilsystems zurückzuführen. Zur Inversion dieses SKP kann auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden.In der Arbeit werden ausschließlich SVP berücksichtigt, die durch lineare partielle Differentialgleichungen beschrieben werden. Der Fokus liegt dabei auf den für thermische Prozesse relevanten Typen: parabolische partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung und hyperbolische partielle Differentialgleichungen erster Ordnung. Eine zentrale Voraussetzung des Verfahrens besteht in der Differenzierbarkeit der örtlichen Einflussfunktion des örtlich verteilten Eingangs. Zudem ist aufgrund der inversionsbasierten Herangehensweise die Stabilität der internen Dynamik der SVP vorauszusetzen. Die Behandlung von SVP, die durch zeitvariante und mehrere gekoppelte partielle Differentialgleichungen beschrieben werden, ist möglich und wird am Beispiel eines Durchlaufofens mit variabler Fließgeschwindigkeit und eines Doppelrohrwärmetauschers vorgestellt. Ferner kann das Verfahren auch bei quasilinearen Randbedingungen eingesetzt werden - die Forderung nach Linearität beschränkt sich auf die partiellen Differentialgleichungen. Als Beispielprozess wird hierzu ein Wärmeleiter mit einer Stefan-Boltzmann Strahlungsrandbedingung betrachtet.Die industrielle Anwendung des Verfahrens zum Entwurf von Steuerungen für SVP mit örtlich verteilten Eingriffen wird an einem Speiser in der Produktion von Behälterglas vorgestellt. Dort wird es zur Automatisierung von Arbeitspunktwechseln eingesetzt und dient zur Berechnung geeigneter Steuerungen. Diese werden vorsteuernd, kombiniert mit einer Regelung in einer Zwei-Freiheitsgrade-Struktur, auf den Prozess geschaltet. Durch die Vorsteuerung, die einen wesentlichen Beitrag zum Führungsverhalten liefert, wird eine deutliche Verbesserung des transienten Prozessverhaltens erreicht. Anhand von Messungen wird gezeigt, dass die für einen Arbeitspunktwechsel erforderliche Übergangszeit erheblich reduziert werden kann.