Advanced Control for Very Fast DC-DC Converters Based on Hysteresis of the C-out Current

The bandwidth achievable by using voltage mode control or current mode control in switch-mode power supply is limited by the switching frequency. Fast transient response requires high switching frequency, although lower switching frequencies could be more suitable for higher efficiency. This paper proposes the use of hysteretic control of the output capacitor $(C_{out})$ current to improve the dynamic response of the buck converter. An external voltage loop is required to accurately regulate the output voltage. The design of the hysteretic loop and the voltage loop are presented. Besides, it is presented a non-invasive current sensor that allows measuring the current in the capacitor. This strategy has been applied for DVS (dynamic voltage scaling) on a 5 MHz buck converter. Experimental results validate the proposed control technique and show fast transient response from 1.5 V to 2.5 V in 2 $mu{rm s}$.

A novel topology control approach to maintain the node degree in dynamic wireless sensor networks

Topology control is an important technique to improve the connectivity and the reliability of Wireless Sensor Networks (WSNs) by means of adjusting the communication range of wireless sensor nodes. In this paper, a novel Fuzzy-logic Topology Control (FTC) is proposed to achieve any desired average node degree by adaptively changing communication range, thus improving the network connectivity, which is the main target of FTC. FTC is a fully localized control algorithm, and does not rely on location information of neighbors. Instead of designing membership functions and if-then rules for fuzzy-logic controller, FTC is constructed from the training data set to facilitate the design process. FTC is proved to be accurate, stable and has short settling time. In order to compare it with other representative localized algorithms (NONE, FLSS, k-Neighbor and LTRT), FTC is evaluated through extensive simulations. The simulation results show that: firstly, similar to k-Neighbor algorithm, FTC is the best to achieve the desired average node degree as node density varies; secondly, FTC is comparable to FLSS and k-Neighbor in terms of energy-efficiency, but is better than LTRT and NONE; thirdly, FTC has the lowest average maximum communication range than other algorithms, which indicates that the most energy-consuming node in the network consumes the lowest power.

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Self-Learning Fuzzy Spiking Neural Network as a Nonlinear Pulse-Position Threshold Detection Dynamic System Based on Second-Order Critically Damped Response Units

Architecture and learning algorithm of self-learning spiking neural network in fuzzy clustering task are outlined. Fuzzy receptive neurons for pulse-position transformation of input data are considered. It is proposed to treat a spiking neural network in terms of classical automatic control theory apparatus based on the Laplace transform. It is shown that synapse functioning can be easily modeled by a second order damped response unit. Spiking neuron soma is presented as a threshold detection unit. Thus, the proposed fuzzy spiking neural network is an analog-digital nonlinear pulse-position dynamic system. It is demonstrated how fuzzy probabilistic and possibilistic clustering approaches can be implemented on the base of the presented spiking neural network.

Contribuições para estratégia de controle aplicada à geração fotovoltaica interconectada à rede elétrica

Generation systems, using renewable sources, are becoming increasingly popular due to the need for increased use of electricity. Currently, renewables sources have a role to cooperate with conventional generation, due to the system limitation in delivering the required power, the need for reduction of unwanted effects from sources that use fossil fuels (pollution) and the difficulty of building new transmission and/or distribution lines. This cooperation takes place through distributed generation. Therefore, this work proposes a control strategy for the interconnection of a PV (Photovoltaic) system generation distributed with a three-phase power grid through a connection filter the type LCL. The compensation of power quality at point of common coupling (PCC) is performed ensuring that the mains supply or consume only active power and that his currents have low distorcion. Unlike traditional techniques which require schemes for harmonic detection, the technique performs the harmonic compensation without the use of this schemes, controlling the output currents of the system in an indirect way. So that there is effective control of the DC (Direct Current) bus voltage is used the robust controller mode dual DSMPI (Dual-Sliding Mode-Proportional Integral), that behaves as a sliding mode controller SM-PI (Sliding Mode-Proportional Integral) during the transition and like a conventional PI (Proportional Integral) in the steady-state. For control of current is used to repetitive control strategy, which are used double sequence controllers (DSC) tuned to the fundamental component, the fifth and seventh harmonic. The output phase current are aligned with the phase angle of the utility voltage vector obtained from the use of a SRF-PLL (Synchronous Reference Frame Phase-Locked-Loop). In order to obtain the maximum power from the PV array is used a MPPT (Maximum Power Point Tracking) algorithm without the need for adding sensors. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed control system.

Digital geometric-sequence control technique for bidirectional dual active bridge DC-DC converters used in future electric vehicles

Bidirectional DC-DC converters are widely used in different applications such as energy storage systems, Electric Vehicles (EVs), UPS, etc. In particular, future EVs require bidirectional power flow in order to integrate energy storage units into smart grids. These bidirectional power converters provide Grid to Vehicle (V2G)/ Vehicle to Grid (G2V) power flow capability for future EVs. Generally, there are two control loops used for bidirectional DC-DC converters: The inner current loop and The outer loop. The control of DAB converters used in EVs are proved to be challenging due to the wide range of operating conditions and non-linear behavior of the converter. In this thesis, the precise mathematical model of the converter is derived and non-linear control schemes are proposed for the control system of bidirectional DC-DC converters based on the derived model. The proposed inner current control technique is developed based on a novel Geometric-Sequence Control (GSC) approach. The proposed control technique offers significantly improved performance as compared to one for conventional control approaches. The proposed technique utilizes a simple control algorithm which saves on the computational resources. Therefore, it has higher reliability, which is essential in this application. Although, the proposed control technique is based on the mathematical model of the converter, its robustness against parameter uncertainties is proven. Three different control modes for charging the traction batteries in EVs are investigated in this thesis: the voltage mode control, the current mode control, and the power mode control. The outer loop control is determined by each of the three control modes. The structure of the outer control loop provides the current reference for the inner current loop. Comprehensive computer simulations have been conducted in order to evaluate the performance of the proposed control methods. In addition, the proposed control have been verified on a 3.3 kW experimental prototype. Simulation and experimental results show the superior performance of the proposed control techniques over the conventional ones.

Gráficos de controle: aspectos teóricos e práticos a partir da ótica da lógica formal e da lógica fuzzy

O presente trabalho faz um enlace de teorias propostas por dois trabalhos: Transformação de valores crisp em valores fuzzy e construção de gráfico de controle fuzzy. O resultado desse enlace é um gráfico de controle fuzzy que foi aplicado em um processo de produção de iogurte, onde as variáveis analisadas foram: Cor, Aroma, Consistência, Sabor e Acidez. São características que dependem da percepção dos indivíduos, então a forma utilizada para coletar informações a respeito de tais característica foi a análise sensorial. Nas analises um grupo denominado de juízes, atribuía individualmente notas para cada amostra de iogurte em uma escala de 0 a 10. Esses valores crisp, notas atribuídas pelos juízes, foram então, transformados em valores fuzzy, na forma de número fuzzy triangular. Com os números fuzzy, foram construídos os gráficos de controle fuzzy de média e amplitude. Com os valores crisp foram construídos gráficos de controle de Shewhart para média e amplitude, já consolidados pela literatura. Por fim, os resultados encontrados nos gráficos tradicionais foram comparados aos encontrados nos gráficos de controle fuzzy. O que pode-se observar é que o gráfico de controle fuzzy, parece satisfazer de forma significativa a realidade do processo, pois na construção do número fuzzy é considerada a variabilidade do processo. Além disso, caracteriza o processo de produção em alguns níveis, onde nem sempre o processo estará totalmente em controle ou totalmente fora de controle. O que vai ao encontro da teoria fuzzy: se não é possível prever com exatidão determinados resultados é melhor ter uma margem de aceitação, o que implicará na redução de erros.

Diagnóstico automático de eventos e distúrbios em unidades geradoras e usinas utilizando lógica fuzzy

The electric power systems are getting more complex and covering larger areas day by day. This fact has been contribuiting to the development of monitoring techniques that aim to help the analysis, control and planning of power systems. Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) systems, Wide Area Measurement Systems and disturbance record systems. Unlike SCADA and WAMS, disturbance record systems are mainly used for offilne analysis in occurrences where a fault resulted in tripping of and apparatus such as a transimission line, transformer, generator and so on. The device responsible for record the disturbances is called Digital Fault Recorder (DFR) and records, basically, electrical quantities as voltage and currents and also, records digital information from protection system devices. Generally, in power plants, all the DFRs data are centralized in the utility data centre and it results in an excess of data that difficults the task of analysis by the specialist engineers. This dissertation shows a new methodology for automated analysis of disturbances in power plants. A fuzzy reasoning system is proposed to deal with the data from the DFRs. The objective of the system is to help the engineer resposnible for the analysis of the DFRs’s information by means of a pre-classification of data. For that, the fuzzy system is responsible for generating unit operational state diagnosis and fault classification.

Análise e proposição de estratégias de estimação e controle de velocidade para motores de indução trifásicos

This study presents a proposal of speed servomechanisms without the use of mechanical sensors (sensorless) using induction motors. A comparison is performed and propose techniques for pet rotor speed, analyzing performance in different conditions of speed and load. For the determination of control technique, initially, is performed an analysis of the technical literature of the main control and speed estimation used, with their characteristics and limitations. The proposed technique for servo sensorless speed induction motor uses indirect field-oriented control (IFOC), composed of four controllers of the proportional-integral type (PI): rotor flux controller, speed controller and current controllers in the direct and quadrature shaft. As the main focus of the work is in the speed control loop was implemented in Matlab the recursive least squares algorithm (RLS) for identification of mechanical parameters, such as moment of inertia and friction coefficient. Thus, the speed of outer loop controller gains can be self adjusted to compensate for any changes in the mechanical parameters. For speed estimation techniques are analyzed: MRAS by rotóricos fluxes MRAS by counter EMF, MRAS by instantaneous reactive power, slip, locked loop phase (PLL) and sliding mode. A proposition of estimation in sliding mode based on speed, which is performed a change in rotor flux observer structure is displayed. To evaluate the techniques are performed theoretical analyzes in Matlab simulation environment and experimental platform in electrical machinery drives. The DSP TMS320F28069 was used for experimental implementation of speed estimation techniques and check the performance of the same in a wide speed range, including load insertion. From this analysis is carried out to implement closed-loop control of sensorless speed IFOC structure. The results demonstrated the real possibility of replacing mechanical sensors for estimation techniques proposed and analyzed. Among these, the estimator based on PLL demonstrated the best performance in various conditions, while the technique based on sliding mode has good capacity estimation in steady state and robustness to parametric variations.

Offshore Wind Energy Conversion System Connected to the Electric Grid: Modeling and Simulation

This paper is on modeling and simulation for an offshore wind system equipped with a semi-submersible floating platform, a wind turbine, a permanent magnet synchronous generator, a multiple point clamped four level or five level full-power converter, a submarine cable and a second order filter. The drive train is modeled by three mass model considering the resistant stiffness torque, structure and tower in deep water due to the moving surface elevation. The system control uses PWM by space vector modulation associated with sliding mode and proportional integral controllers. The electric energy is injected into the electric grid either by an alternated current link or by a direct current link. The model is intend to be a useful tool for unveil the behavior and performance of the offshore wind system, especially for the multiple point clamped full-power converter, under normal operation or under malfunctions.

Análise do comportamento sísmico da barragem de Luzzone: desenvolvimento de um programa de EF3D utilizando uma formulação em deslocamentos e pressões

Trabalho Final de Mestrado elaborado no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC) para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior de Engenharia de Lisboa no âmbito do protocolo entre o ISEL e o LNEC

Radar Based Collision detection developments on USV ROAZ II

This work presents the integration of obstacle detection and analysis capabilities in a coherent and advanced C&C framework allowing mixed-mode control in unmanned surface systems. The collision avoidance work has been successfully integrated in an operational autonomous surface vehicle and demonstrated in real operational conditions. We present the collision avoidance system, the ROAZ autonomous surface vehicle and the results obtained at sea tests. Limitations of current COTS radar systems are also discussed and further research directions are proposed towards the development and integration of advanced collision avoidance systems taking in account the different requirements in unmanned surface vehicles.

Hakkuriteholähteen säädön suunnittelu

Diplomityö on tehty osana ETX-tutkimushanketta: 'Volyymiteholähteen suunnittelumetodien kehitys ja optimointi DFM-viitekehyksessä'. Työssä suunnitellaan hakkuriteholähteelle säätäjä. Tähän suunnittelun sektoriin syventyminen on teollisuudessa jäänyt monesti vähälle. Säätö on tavallisesti ajan puutteen ja apuvälineiden käytön osaamattomuuden tai puuttumisen takia suunniteltu kokeilemalla. Työssä muodostetaan jännitemuotoisesti säädetylle hakkurille piensignaalimallilla linearisoidut siirtofunktiot, joiden perusteella voidaan tarkastella hakkurin stabiilisuutta takaisinkytketyssä säätösilmukassa. Stabiiliustarkastelu tehdään taajuustasossa käyttäen Bode-kuvaajia. Näiden kuvaajien perusteella viritetään järjestelmään säätäjä. Säätäjän toimintaa aikatasossa tarkastellaan simuloimalla ja reaalisen laitteen toimimista laboratorioprototyypin avulla. Tulosten perusteella voidaan todeta, että jännitemuotoisella säädöllä flyback-hakkuri saadaan nopeaksi epäjatkuvalla käämivirralla. Mikäli halutaan hakkurin toimivan jatkuvalla käämivirralla, on syytä käyttää muita säätömenetelmiä, esimerkiksi huippuvirtasäätöä.

Unterstützung suboptimaler Regelkreise durch eine zentrale Korrektursteuerung

Evolutionäre Algorithmen werden gerne für Optimierungsaufgaben mit sehr vielen Freiheitsgraden eingesetzt. Eine spezielle Konvergenzeigenschaft, daß nämlich der Rechenaufwand nur mit der Wurzel der Anzahl der Unbekannten steigt, prädestiniert sie dafür. Die evolutionären Algorithmen haben aber auch noch eine weitere interessante Eigenschaft: Von der Zielfunktion wird nur verlangt, daß sie monoton ist - nichts weiter. Speziell wird, im Gegensatz zu gradientenbasierten Verfahren, keinerlei Ableitung von der Zielfunktion benötigt. Dadurch können evolutionäre Algorithmen auch in solchen Fällen eingesetzt werden, in denen Ableitungen der Zielfunktion nicht oder nur schwierig zu beschaffen sind. Die evolutionären Algorithmen kommen deshalb mit so geringen Anforderungen an die Zielfunktion aus, weil nur absolute Bewertungen einzelner Punkte (hier Vektoren) im Lösungsraum durch die Zielfunktion vorgenommen werden. Dafür werden eine gewisse Anzahl Punkte gleichzeitig betrachtet. Im direkten Vergleich untereinander relativ günstig liegende Punkte werden für die weitere Rechnung übernommen, die anderen verworfen. Aus den Komponenten der übernommenen Punkte werden nun zufällig neue Punkte zusammengesetzt und ein wenig verschoben. Dann schließt sich der Kreis, indem diese neuen Punkte ebenfalls bewertet werden. Im Verlauf einer solchen Iteration konvergiert die Punktmenge in der Regel gegen ein Optimum. Oft kommt es gerade zu Beginn der Iteration zu schnellen Fortschritten. In dieser Arbeit wird ein Verfahren vorgestellt, bei dem mit Hilfe von evolutionären Algorithmen verbessernde Eingriffe in laufenden Echtzeitsystemen vorgenommen werden. Was gut oder schlecht ist, wird zu diesem Zweck über die Zielfunktion für die Optimierung definiert. Da von der Zielfunktion letztlich das Verhalten des Gesamtsystems abhängt, sollte sie sorgfältig ausgewählt werden. Die Eingriffe in das System sind zeitlich begrenzte Steuertrajektorien. Sie werden zusätzlich zur permanent wirkenden Regelung auf das System aufgebracht. Um die Anzahl der zu optimierenden Variablen in Grenzen zu halten, werden die Steuertrajektorien durch wenige Parameter repräsentiert. Da die Steuertrajektorien im voraus berechnet werden müssen, wird das Systemverhalten mittels eines Modells für eine gewisse, in der Zukunft liegende, Zeitspanne vorhergesagt. Wird die geforderte Qualität während dieser Zeitspanne unterschritten, kann so schon im Vorfeld ein Optimierungslauf des evolutionären Algorithmus durchgeführt werden. Allerdings ist die zur Verfügung stehende Rechenzeit von vornherein begrenzt. Daher ist es wesentlich, daß die mit evolutionären Algorithmen häufig assoziierte lange Rechenzeit nicht benötigt wird. Tatsächlich läßt sich unter Umständen mit wenig Rechenzeit auskommen. Erstens wird nur mit wenigen Variablen gerechnet, zweitens kommt es bei dem beschriebenen Verfahren - halbwegs gutmütige Systeme vorausgesetzt - gar nicht auf die letzte Nachkommastelle, sondern (ähnlich wie bei Sliding-Mode-Regelungen) mehr auf eine Tendenz an. Da evolutionäre Algorithmen aber gerade zu Beginn einer Iteration die größten Fortschritte in Richtung des Optimums machen, kann schon nach vergleichsweise wenigen Schritten eine deutliche Verbesserung der Gesamtsituation erreicht werden. Gerade um eine schnelle Konvergenz zu erreichen, sind die spezielle Ausprägung und die Parameter des evolutionären Algorithmus mit Bedacht zu wählen. Dafür werden im Rahmen der Arbeit einige Experimente durchgeführt. Anhand der Ergebnisse der Experimente können konkrete Empfehlungen für eine günstige Konfiguration des evolutionären Algorithmus gegeben werden. Um es vorwegzunehmen: Zuviel Aufwand beim evolutionären Algorithmus zu treiben, lohnt sich nicht. Schon mit einfachen Konfigurationen können gute Ergebnisse erzielt werden. Die einzige Maßnahme, die sich bei den Experimenten tatsächlich als vorteilhaft herausstellte, war die Aufteilung der Gesamtpopulation (betrachtete Punktmenge im Lösungsraum) in mehrere Subpopulationen. Schließlich wird noch ein Computerprogramm beschrieben, das die Arbeitsweise des vorgestellten Verfahrens am Bildschirm erlebbar macht. Die einzelnen Komponenten werden vom Programm während der Ausführung mit einigen wesentlichen Rechengrößen visualisiert. Der Betrachter erhält so einen besseren Eindruck vom Zusammenwirken der einzelnen Verfahrens-Teile.

Zur Identifikation mechatronischer Stellglieder mit Reibung bei Kraftfahrzeugen

Diese Arbeit befasst sich mit der Modellbildung mechatronischer Systeme mit Reibung. Geeignete dynamische Modelle sind die Grundlage für verschiedenste Aufgabenstellungen. Sind dynamische Prozessmodelle verfügbar, so können leistungsfähige modellbasierte Entwurfsmethoden angewendet werden sowie modellbasierte Anwendungen entwickelt werden. Allerdings ist der Aufwand für die Modellbildung ein beschränkender Faktor für eine weite Verbreitung modellbasierter Applikationen in der Praxis. Eine Automatisierung des Modellbildungsprozesses ist deshalb von großem Interesse. Die vorliegende Arbeit stellt für die Klasse „mechatronischer Systeme mit Reibung“ drei Modellierungsmethoden vor: semi-physikalische Modellierung, Sliding-Mode-Beobachter-basierte Modellierung und empirische Modellierung mit einem stückweise affinen (PWA) Modellansatz. Zum Ersten wird die semi-physikalische Modellierung behandelt. Gegenüber anderen Verfahren, die häufig umfangreiche Vorkenntnisse und aufwändige Experimente erfordern, haben diese neuen Verfahren den Vorteil, dass die Modellierung von Systemen mit Reibung selbst bei begrenzten Vorkenntnissen und minimalem Experimentaufwand automatisiert werden kann. Zum Zweiten wird ein neuer Ansatz zur Reibkraftrekonstruktion und Reibmodellierung mittels Sliding-Mode-Beobachter präsentiert. Durch Verwendung des vorgestellten Sliding-Mode- Beobachters, der basierend auf einem einfachen linearen Zustandsraummodell entworfen wird, lässt sich die Reibung datengetrieben aus den Ein-/Ausgangsmessdaten (im offenen Regelkreis) rekonstruieren und modellieren. Im Vergleich zu anderen Reibmodellierungsmethoden, die häufig umfangreiche Vorkenntnisse und aufwändige Messungen im geschlossenen Regelkreis erfordern, haben diese neuen Verfahren den Vorteil, dass die Modellierung von Systemen mit Reibung selbst bei begrenzten Vorkenntnissen und minimalem Experimentaufwand weitgehend automatisiert werden kann. Zum Dritten wird ein PWA-Modellierungsansatz mit einer clusterungsbasierten Identifikationsmethode für Systeme mit Reibung vorgestellt. In dieser Methode werden die Merkmale in Hinblick auf Reibeffekte ausgewählt. Und zwar wird der klassische c-Means-Algorithmus verwendet, welcher bedienfreundlich, effizient und geeignet für große und reale Datensätze ist. Im Gegensatz zu anderen Methoden sind bei dieser Methode nur wenige Entwurfsparameter einzustellen und sie ist für reale Systeme mit Reibung einfach anwendbar. Eine weitere Neuheit der vorgestellten PWA-Methode liegt darin, dass die Kombination der Clustervaliditätsmaße und Modellprädiktionsfehler zur Festlegung der Anzahl der Teilmodelle benutzt wird. Weiterhin optimiert die vorgestellte Methode die Parameter der lokalen Teilmodelle mit der OE (Output-Fehler)-Schätzmethode. Als Anwendungsbeispiele werden Drosselklappen, Drallklappen und AGR-Ventile (Abgasrückführventil) im Dieselfahrzeug betrachtet und die erzeugten Modelle werden in der industriellen HiL-Simulation eingesetzt. Aufgrund der Effizienz und Effektivität der Modellierungsmethoden sind die vorgestellten Methoden direkt in der automobilen Praxis einsetzbar.