Masterarbeit Tim Bartikowski

 

Entwicklung eines modellbasierten, speicherprogrammierbaren Regelungskonzepts für einen Wärmepumpen Hardware-in-the-Loop Prüfstand

smith predictor Urheberrecht: EBC Regelkreis des Smith-Prädiktors

Am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik werden Wärmepumpensysteme unter reproduzierbaren, dynamischen Randbedingungen an einem Hardware-In-The-Loop-Prüfstand getestet. Dem Energiesystem wird während Versuchen Wärme zu- oder abgeführt, indem über Mischventile Kalt-, bzw. Warmwasser aus Fernleitungen beigemischt wird. Die Regelung dieser Mischung wird derzeit über PI-Regler in einer speicherprogrammierbaren Steuerung realisiert. Aufgrund von wechselnden Volumenströmen und Temperaturbereichen sowie der Kopplung der Hydraulikkreisläufe genügt diese Regelung nicht in allen Betriebspunkten den Anforderungen.

In der vorliegenden Arbeit werden daher zunächst in einer Prüfstandanalyse die hydraulischen Eigenschaften und Störgrößen der Regelung identifiziert. Aufbauend auf dieser Systemkenntnis werden Reglerkonzepte am digitalen Zwilling des Hardware-In-The-Loop-Prüfstandes entwickelt. Diese Konzepte berücksichtigen den physikalischen Aufbau und die hydraulischen Eigenschaften des Prüfstandes. Zunächst wird dazu ein Reglerkonzept entworfen, das mittels Störgrößenaufschaltung und Vorsteuerung auf die Störgrößen der Regelstrecke reagiert. Außerdem wird ein Modell der Regelstrecke entwickelt, um das dynamische Regelverhalten durch eine variable Totzeitkompensation mit einem Smith-Prädiktor zu verbessern. Den Abschluss der Reglerentwicklung bildet der Entwurf einer modellprädiktiven Regelung der Temperaturmischung.

Anstelle von strukturiertem Text werden die Regler in Python realisiert und über einen ADS-Kommunikator an die speicherprogrammierbare Steuerung angebunden. Diese höhere Programmiersprache ermöglicht die Ausführung komplexer mathematischer Operationen, die insbesondere für die modellprädiktive Regelung notwendig sind. Der Vergleich der entwickelten Regler am digitalen Prüfstandszwilling zeigt, dass die Python-Regler die Regelgüte durch die Störgrößenaufschaltung und Vorsteuerung verbessern. Verglichen mit dem ursprünglichen PI-Regler sind Steigerungen der Regelgüte um 50% möglich. Die Erweiterung um die modellbasierte Totzeitkompensation führt zu einer zusätzlichen Verbesserung. Die modellprädiktive Regelung nimmt deutlich mehr Rechenzeit in Anspruch und kann außerdem eine bleibende Regelabweichung aufgrund von Kennfeldungenauigkeiten nicht kompensieren. Versuche am realen Wärmepumpenprüfstand bestätigen, dass die Störgrößenaufschaltung und Vorsteuerung die durchschnittliche absolute Regelabweichung halbieren kann. Abschließend wird ein Ausblick für weitere Verbesserungsansätze der Prüfstandsregelung gegeben.