Der vorliegende Beitrag beschäftigt sich mit der Linearen Systemidentifikation für ein hygrothermisches Zustandsraummodell des Hrabanus-Maurus-Saals innerhalb der Bibliothek des Bischöflichen Priesterseminars in Fulda. Hier lagern wertvolle historische Dokumente, die besondere Anforderungen an das Raumklima stellen. Für die Einhaltung dieser Anforderungen eignet sich ein Modellprädiktiver Regler (MPC), der in Zukunft im Hrabanus-Maurus-Saal eingesetzt werden wird. Das hier entwickelte lineare Zustandsraummodell kann zukünftig in diesem MPC genutzt werden. Die Modellierung des hygrothermischen Verhaltens erfolgt über eine Beschreibung der physikalischen Zusammenhänge von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit in Form von Zustandsraummodellen. Die darin enthaltenen Parameter können mit Hilfe der vorhandenen Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsmessungen der vergangenen Jahre im Hrabanus-Maurus-Saal geschätzt werden. Hierbei werden eine Vielzahl an Initialparametern in Form einer Monte-Carlo-Simulation getestet, um die optimalen Systemparameter zu identifizieren. Im Anschluss werden beide Zustandsraummodelle zusammengefügt und mit einem rein datengetriebenen Ansatz („Black-Box“-Ansatz) verglichen. Die Ergebnisse des hier vor-gestellten Ansatzes („Grey-Box“-Ansatz) weisen vor Allem in Bezug auf die Dynamik ein besseres Modellverhalten auf.

Bedingt durch die vermehrte Erfassung gebäudebezogener Daten und der steigenden Rechenleistung von Gebäudeautomatisierungssystemen u. v. m., gewinnen Modellprädiktive Regelungsansätze in diesem Zusammenhang in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Die Regelungen konzentrieren sich hierbei hauptsächlich auf die Raumtemperaturregelung unter Behaglichkeitsanforderungen. Der vorliegende Beitrag setzt sich mit dem simulationsgestützten Reglerentwurf unter Nutzung von MATLAB und EnergyPlus auseinander und schlägt eine Methode zur Raumtemperatur- und Raumluftfeuchtigkeitsregelung speziell unter dem Aspekt des präventiven Kulturgutschutzes vor. Das Gebäudesimulationsprogramm EnergyPlus kann innerhalb weniger Minuten eine große Datenbasis generieren. Die hier künstlich generierten Daten dienen als Grundlage für die Systemidentifikation des hygrothermischen Zustandsraummodells des Gebäudes. Bei der Systemidentifikation wird ein rein datengetriebener Ansatz („Black-Box-Ansatz“), aufgrund der vorhandenen Datenbasis, herangezogen. Danach findet eine Erläuterung der Modellprädiktiven Regelung sowie ein Vergleich des hier vorgestellten Regelungsansatzes mit herkömmlichen Regelstrategien der Raumklimaregelung unter energetischen aber auch Aspekten des präventiven Kulturgutschutzes statt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Modellprädiktive Regelungsansatz weniger Energie umsetzt und gleichzeitig die Anforderungen des präventiven Kulturgutschutzes einhält.

Bedingt durch die vermehrte Erfassung gebäudebezogener Daten und der steigenden Rechenleistung von Gebäudeautomatisierungssystemen u. v. m., gewinnen Modellprädiktive Regelungsansätze in diesem Zusammenhang in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Die Regelungen konzentrieren sich hierbei hauptsächlich auf die Raumtemperaturregelung unter Behaglichkeitsanforderungen. Der vorliegende Beitrag setzt sich mit dem simulationsgestützten Reglerentwurf unter Nutzung von MATLAB und EnergyPlus auseinander und schlägt eine Methode zur Raumtemperatur- und Raumluftfeuchtigkeitsregelung speziell unter dem Aspekt des präventiven Kulturgutschutzes vor. Das Gebäudesimulationsprogramm EnergyPlus kann innerhalb weniger Minuten eine große Datenbasis generieren. Die hier künstlich generierten Daten dienen als Grundlage für die Systemidentifikation des hygrothermischen Zustandsraummodells des Gebäudes. Bei der Systemidentifikation wird ein rein datengetriebener Ansatz („Black-Box-Ansatz“), aufgrund der vorhandenen Datenbasis, herangezogen. Danach findet eine Erläuterung der Modellprädiktiven Regelung sowie ein Vergleich des hier vorgestellten Regelungsansatzes mit herkömmlichen Regelstrategien der Raumklimaregelung unter energetischen aber auch Aspekten des präventiven Kulturgutschutzes statt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Modellprädiktive Regelungsansatz weniger Energie umsetzt und gleichzeitig die Anforderungen des präventiven Kulturgutschutzes einhält.

Das Ziel der Studie ist die Entwicklung eines Fehlerkorrekturmodells fürWettervorhersagedaten, welches zu einem besseren Verständnis der Zuverlässigkeit der lokalenWettervorhersagen beitragen soll. Weiterhin soll das Fehlermodell in weiterführenden Arbeiten innerhalb eines stochastischen modellprädiktiven Reglers (MPC) Anwendung finden. Im Rahmen der Studie werden sowohl prognostizierte als auch tatsächliche Wetterdaten aus dem Raum Fulda erfasst. Diese Daten werden grafisch dargestellt und mittels Fourier-Transformation analysiert. Auf Basis dieser Analyse werden mathematische Modelle zur Vorhersage von Fehlern und zur Bestimmung der Varianz vorgeschlagen. Die Parameter dieser Modelle werden durch lineare Regression bestimmt. Die erzielten Ergebnisse werden ausführlich ausgewertet.

Ongoing changes in spaceflight – continuing miniaturization, declining costs of rocket launches and satellite components, and improved satellite computing and control capabilities – are advancing Satellite Formation Flying (SFF) as a research and application area. SFF enables new applications that cannot be realized (or cannot be realized at a reasonable cost) with conventional single-satellite missions. In particular, distributed Earth observation applications such as photogrammetry and tomography or distributed space telescopes require precisely placed and controlled satellites in orbit. Several enabling technologies are required for SFF, such as inter-satellite communication, precise attitude control, and in-orbit maneuverability. However, one of the most important requirements is a reliable distributed Guidance, Navigation and Control (GNC) strategy. This work addresses the issue of distributed GNC for SFF in 3D with a focus on Continuous Low-Thrust (CLT) propulsion satellites (e.g., with electric thrusters) and concentrates on circular low Earth orbits. However, the focus of this work is not only on control theory, but control is considered as part of the system engineering process of typical small satellite missions. Thus, common sensor and actuator systems are analyzed to derive their characteristics and their impacts on formation control. This serves as the basis for the design, implementation, and evaluation of the following control approaches: First, a Model Predictive Control (MPC) method with specific adaptations to SFF and its requirements and constraints; second, a distributed robust controller that combines consensus methods for distributed system control and $H_{\infty}$ robust control; and finally, a controller that uses plant inversion for control and combines it with a reference governor to steer the controller to the target on an optimal trajectory considering several constraints. The developed controllers are validated and compared based on extensive software simulations. Realistic 3D formation flight scenarios were taken from the Networked Pico-Satellite Distributed System Control (NetSat) cubesat formation flight mission. The three compared methods show different advantages and disadvantages in the different application scenarios. The distributed robust consensus-based controller for example lacks the ability to limit the maximum thrust, so it is not suitable for satellites with CLT. But both the MPC-based approach and the plant inversionbased controller are suitable for CLT SFF applications, while showing again distinct advantages and disadvantages in different scenarios. The scientific contribution of this work may be summarized as the creation of novel and specific control approaches for the class of CLT SFF applications, which is still lacking methods withstanding the application in real space missions, as well as the scientific evaluation and comparison of the developed methods. / Die anhaltenden Veränderungen in der Raumfahrt – die fortschreitende Miniaturisierung, die sinkenden Kosten für Raketenstarts und Satellitenkomponenten sowie die verbesserten Rechen- und Steuerungsmöglichkeiten von Satelliten – fördern den Satelliten-Formationsflug (SFF) als Forschungs- und Anwendungsgebiet. SFF ermöglicht neue Anwendungen, die mit herkömmlichen Einzelsatellitenmissionen nicht (oder nicht mit vertretbarem Aufwand) realisiert werden können. Insbesondere verteilte Erdbeobachtungsanwendungen wie Photogrammetrie und Tomographie oder verteilte Weltraumteleskope erfordern präzise positionierte und kontrollierte Satelliten in der Umlaufbahn. Für den SFF sind verschiedene Basistechnologien erforderlich, z. B. Kommunikation zwischen den Satelliten, präzise Lageregelung und Manövrierfähigkeit. Eine der wichtigsten Anforderungen sind jedoch zuverlässige verteilte Leit- und Regelungsverfahren (Guidance, Navigation and Control, GNC). Diese Arbeit befasst sich mit dem Thema der verteilten GNC für SFF in 3D mit dem Schwerpunkt auf Satelliten mit kontinuierlichem, niedrigen Schub (Continuous Low-Thrust, CLT) z.B. mit elektrischen Triebwerken und legt den Fokus hier zusätzlich auf niedrige kreisförmige Erdumlaufbahnen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt jedoch nicht nur auf der Regelungstheorie, vielmehr wird Regelung als Teil des Systementwicklungsprozesses typischer Kleinsatellitenmissionen betrachtet. So werden gängige Sensor- und Aktuatorsysteme analysiert, um ihre Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf die Formationskontrolle abzuleiten. Dies dient als Grundlage für den Entwurf, die Implementierung und die Bewertung der folgenden Regelungsansätze: Erstens eine Modellprädiktive Regelung (Model-Predictive Control, MPC) mit spezifischen Anpassungen an die Anforderungen und Beschränkungen des SFFs, zweitens ein robuster Regler, der Konsensmethoden für die Steuerung verteilter Systeme mit robuster $H_{\infty}$-Regelung kombiniert, und schließlich ein kaskadierter Regler, der zur Steuerung die Regelstrecke invertiert und dessen Referenz von einem Referenzregler auf einer optimalen Trajektorie unter Berücksichtigung verschiedener Beschränkungen zum Ziel gesteuert wird. Die entwickelten Regler werden auf der Grundlage umfangreicher Softwaresimulationen validiert und miteinander verglichen. Realistische 3D-Formationsflug-Szenarien wurden der NetSat-Formationsflug-Mission entnommen. Die drei verglichenen Methoden zeigen unterschiedliche Vor- und Nachteile in den verschiedenen Anwendungsszenarien. Der verteilten robusten konsensbasierten Regelung fehlt bspw. die Fähigkeit, den maximalen Schub zu begrenzen, sodass sie nicht für Satelliten mit CLT geeignet ist. Aber sowohl der MPC-basierte Ansatz als auch der auf der Invertierung der Regelstrecke basierende Ansatz sind für CLT SFF-Anwendungen geeignet und weisen wiederum ander Vor- und Nachteile in unterschiedlichen Szenarien auf. Der wissenschaftliche Beitrag dieser Arbeit besteht in der Entwicklung neuartiger und spezifischer Regelungsansätze für die Klasse der CLT-SFF-Anwendungen, für die es noch keine Methoden gibt, die der Anwendung in realen Weltraummissionen standhalten, sowie in der wissenschaftlichen Bewertung und dem Vergleich der entwickelten Methoden.

Die Dissertation liefert einen Beitrag zur Modellierung und optimalen Ansteuerung von vernetzten hybriden Energiesystemen. Die Arbeit beschreibt die Entwicklung einer modellprädiktiven Regelung (MPC) für konkrete Energiesysteme. Dafür wird eine Betrachtung zu berücksichtigender wirtschaftlicher und technischer Rahmenbedingungen vorgenommen, die zur Formulierung notwendiger Nebenbedingungen für die MPC genutzt wird. Für den Umgang mit dem ansteigenden Rechenbedarf der MPC bei steigender Systemzahl wird ein alternativer Ansatz auf Basis eines auktionsbasierten Algorithmus vorgestellt. Die Modellierung der Energiesysteme wird ausgehend von einer bestehenden Laboranlage vorgenommen. Die Erprobung der vorgestellten Ansätze erfolgt in einer Simulationsumgebung, die die Untersuchung verschiedener Szenarien erlaubt. Im Rahmen der Simulationsszenarien mit unterschiedlicher Systemzahl und Zusammensetzung der Energie-systeme wird eine Sensibilitätsanalyse der vorgestellten MPC vorgenommen. Die Interpretation der Ergebnisse erfolgt auf Basis numerischer und empirischer Bewertungskriterien.

Die vorliegende Dissertation stellt ein neues multikriteriell optimierendes Betriebsführungsverfahren für netzgekoppelte Energiespeicher am Beispiel eines PV-Batteriespeichersystems im Hausbereich vor. Neben der Maximierung des Eigenverbrauchs an Solarenergie steht die Minimierung von Leistungsspitzen sowie der lebensdaueroptimierende Betrieb der Lithium-Ionen-Batterie im Fokus. Zur Verknüpfung der unterschiedlichen Wirkungshorizonte der teils konkurrierenden Betriebsführungsziele wird ein mehrstufiger, optimierungsbasierter Ansatz entwickelt. Das Betriebsführungsverfahren unterteilt sich in die Ebenen Momentan-, Kurzzeit- und Langzeitoptimierung. Die Momentanoptimierung regelt die Netzleistung, gene-riert den Leistungswert der Lithium-Ionen-Batterie und sorgt für einen effizienten Betrieb des Gesamtsystems. Die Kurzzeitoptimierung auf Basis der Dynamischen Programmierung ist verantwortlich für die Maximierung der Nutzung der Solarenergie, die Minimierung der Netzeinspeise- und Netzbezugsleistung und die Minimierung der Stromkosten. Die Reduzierung des Einflusses von Modell- und Prognoseunsicherheiten gelingt durch einen modellprädiktiven Ansatz. Die Langzeitoptimierung beeinflusst das Alterungsverhalten der Lithium-Ionen-Batterie und gewährleistet den lebensdaueroptimierenden Betrieb. Für eine breite Anwendungsklasse werden die Betriebsführungsparameter der einzelnen Ebenen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit untersucht und der Funktionsnachweis des gesamten Betriebs-führungsverfahrens erbracht. Weiterhin erfolgt der Vergleich mit zwei ausgewählten Referenzverfahren anhand definierter Bewertungskriterien. Abschließend wird der Einsatz des Betriebsführungsverfahrens für den industriellen Anwendungsbereich im Rahmen des For-schungsprojekts OptiStore vorgestellt.

Ausgangspunkt der hier vorgestellten Entwicklungen ist eine am ICM – Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V. entwickelte adaptronische Werkzeugmaschinen-Hauptspindel zur variablen Einstellung der Lagervorspannkräfte. Diese neuartige Werkzeugmaschinenspindel bietet Anwendungspotentiale in den Bereichen: verbessertes Hochdrehverhalten, erhöhte Flexibilität des Bearbeitungsspektrums, Lebensdauererhöhung der Wälzlager durch verbessertes Bohr-Roll-Verhältnis sowie einer optimierten Spindeldynamik durch gezielte Verschiebung der Eigenfrequenzen. Ziel war die Entwicklung einer möglichst dynamischen und genauen Ansteuerung des in der Hauptspindel enthaltenen hydraulischen Vorspannelementes. Dieser Beitrag fasst das Vorgehen und die bisherigen Ergebnisse zusammen. Auf die Eigenentwicklung eines hydraulischen Aktuators sollte verzichtet werden, sodass die Ansteuerung über ein direktgesteuertes Regelventil erfolgt. Mit einer einfachen Druckregelung mit PID-Regler konnten nur unzureichende Ergebnisse hinsichtlich Dynamik und Regelkreisstabilität erzielt werden. Hinzu kommt die geringe Genauigkeit der Krafteinstellung bei Anwendung einer einfachen Druckregelung. Zur Verbesserung der Ansteuerungsdynamik und -genauigkeit des Vorspannelementes sollten erweiterte Regelungsstrukturen zur Anwendung kommen. Im Projekt wurde hierzu ein modellbasierter Regler entwickelt und in einer dem Experiment vorgelagerten Untersuchung an einem Systemsimulationsmodell getestet und optimiert. Ausgangspunkt für die simulationsgestützte Reglerauslegung war die Entwicklung eines Regelstreckenmodells in SimulationX. Die Modellentwicklung umfasste den Vergleich zweier grundlegender Modellierungsansätze, eines bidirektionalen Modells mit einem linearen Signalflussmodell hinsichtlich Modellgenauigkeit und Rechenperformance. Zur Untersuchung der Reglerfunktionalität sowie zur Optimierung der Reglerparameter wurde die in SimulationX vorhandene COM-Schnittstelle genutzt und eine vereinfachte Optimierungsfunktion in Matlab umgesetzt. Für die experimentelle Validierung des Ansteuerungssystems wurde die entwickelte modellbasierte Reglervorsteuerung in der Programmierumgebung LabView umgesetzt. Erste Tests erfolgten zunächst an der stehenden Hauptspindel. Diese zeigten ein sehr dynamisches und stabiles Regelungsverhalten, sodass neben einfachen Sprungvorhaben auch Trajektorienvorgaben mit hoher Dynamik geregelt werden können. Es konnte eine deutliche Verbesserung gegenüber der zu Beginn vorhandenen einfachen Druckregelung erzielt werden. Umfangreichere experimentelle Untersuchungen an der drehenden Spindel für unterschiedliche Regelungs- und Bearbeitungsszenarien sollen in Zukunft durchgeführt werden. Dabei stehen vor allem die Verkürzung der Hochdrehzeiten für Bearbeitungsprozesse mit geringer Lagervorspannung sowie die anwendungsspezifische Optimierung der Spindeldynamik durch Eigenfrequenzverschiebungen im Vordergrund. / The starting point of the developments presented here is an adaptronic machine tool main spindle developed at the ICM - Institute Chemnitz Machine and Plant Construction e.V. for variable adjustment of the bearing preload forces. This new type of machine tool spindle offers application potential in the areas of: improved high-speed behavior, increased flexibility of the machining spectrum, increased service life of the roller bearings through improved drilling-rolling ratio and optimized spindle dynamics through targeted shifting of the natural frequencies. The aim was to develop the most dynamic and precise control possible for the hydraulic pretensioning element contained in the main spindle. This article summarizes the procedure and the results so far. The in-house development of a hydraulic actuator should be avoided, so that the control takes place via a directly controlled control valve. With a simple pressure control with a PID controller, only insufficient results could be achieved in terms of dynamics and control loop stability. Added to this is the low accuracy of the force setting when using a simple pressure control. Extended control structures should be used to improve the control dynamics and accuracy of the preload element. For this purpose, a model-based controller was developed in the project and tested and optimized on a system simulation model in an investigation prior to the experiment. The starting point for the simulation-based controller design was the development of a controlled system model in SimulationX. The model development included the comparison of two basic modeling approaches, a bidirectional model with a linear signal flow model in terms of model accuracy and computational performance. The COM interface available in SimulationX was used to examine the controller functionality and to optimize the controller parameters, and a simplified optimization function was implemented in Matlab. For the experimental validation of the control system, the developed model-based controller pre-control was implemented in the LabView programming environment. The first tests were initially carried out on the stationary main spindle. These showed a very dynamic and stable control behavior, so that in addition to simple jump projects, trajectory specifications can also be controlled with high dynamics. A clear improvement could be achieved compared to the simple pressure control that was available at the beginning. More extensive experimental investigations on the rotating spindle for different control and processing scenarios are to be carried out in the future. The main focus here is on reducing the ramp-up times for machining processes with low bearing preload and the application-specific optimization of the spindle dynamics through natural frequency shifts.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung der indirekten Methoden zur automatisierten Lösung von einer bestimmten Klasse von Optimalen Steuerungsproblemen im Rahmen einer modellprädiktiven Regelung für Windenergieanlagen. In einem zweiten Teil wird der Einfluss dieser Regelungsmethode auf die Festigkeit des Triebstranges untersucht. Diese führt zu einer überproportionalen Beanspruchung und damit zu einer Reduktion der Betriebsfestigkeit. Es gilt entsprechende Randbedingungen für die der Regelung zugrunde liegenden Optimalen Steuerungsprobleme zu finden, so dass weiterhin die Energieausbeute maximiert werden kann, gleichzeitig jedoch die Beanspruchung durch die Regelung begrenzt wird.