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Advances in applied nonlinear control and observation methods powered by optimal filtering and disurbance compensation

Fortschritte bei angewandten nichtlinearen Regelungs- und Schätzungsmethoden durch optimale Filterung und Störgrößenkompensation

  • In this dissertation, advanced nonlinear control strategies and nonlinear minimum-variance observation are combined, in order to improve the estimation and/or tracking quality within control and fault detection tasks, for several types of systems from the fields of electromobility and conventional drivetrain technology that have some potential for sustainability or performance improvements. The application-specific innovations in terms of nonlinear Kalman filter methods are: * Improved state of charge estimation for Lithium-ion battery cells, powered by a novel self-adaptive EKF that uses a high-order polynomial curve fit as a decomposition of the uncertain nonlinear output equation with intentionally redundant bases, and with a reduced number of polynomial parameters that are adapted online by the EKF itself. * Online estimation of the time delay between two periodic signals of roughly the same shape that have pronounced uncorrelated noise, based on a fractional-order approximation of the transcendent transfer function of the time delay which is used as a model in a novel kind of EKF. * Using two (E)KFs (one for the linear subsystem and one for the nonlinear subsystem of a new kind of multi-stage piezo-hydraulic actuator) in a cascaded loop structure in order to reduce the computation load of the estimation, by appropriate 'interfacing' between the two observers (using one shared system model equation, among other aspects). The innovations in terms of nonlinear control methods are powered by observation, as well: * Sliding mode velocity control of a DC drive that is subject to nonlinear friction and unknown load torques, enhanced by an equivalent control law, and with a new intelligent switching gain adaptation scheme (for reduced control chattering and, thus, less energy consumption and actuator wear), which is powered by Taylor-linearized model predictive control, which in turn requires observer-based disturbance compensation (by a KF with a double-integrator disturbance model) for model-matching purposes in order to function correctly. * Direct speed control of permanent-magnet three-phase synchronous motors that have a high power-to-volume ratio, based on sliding mode control in a rotating d,q coordinate system, with a new equivalent control method that exploits both system inputs and with a secondary sliding surface to ensure compliance with the current-trajectory of maximum efficiency for the required torque, and which works without measurement of the rotor angle (thanks to a new kind of EKF that estimates all states in the stationary α,β coordinate system, as well as the disturbance/load torque and its derivative). In all instances, improvements (compared to methods existing in the literature) in terms of control and estimation performance have been achieved and confirmed using simulation studies or real experiments.
  • In dieser Dissertation werden fortgeschrittene nichtlineare Regelungsstrategien und Minimum-Varianz-Schätzalgorithmen kombiniert, um die Schätz- und/oder Regelgüte bei Regelungs- und Fehlerzustandserkennungsaufgaben für jene physikalischen Systemtypen aus den Bereichen Elektromobilität und konventioneller Antriebstechnik zu verbessern, die Potential für Verbesserungen bezüglich Nachhaltigkeit oder Leistung aufweisen. Die anwendungsspezifischen Neuerungen im Hinblick auf nichtlineare Kalman-Filter-Methoden sind: * Verbesserte Ladestandsschätzung für Lithium-Ionen-Akkuzellen, basierend auf einem neuartigen, selbst-adaptiven EKF, das einen polynomialen Kurven-Fit hoher Ordnung als Zerlegung der unsicherheitsbehafteten, nichtlinearen Ausgangsgleichung verwendet (mit absichtlicherweise redundanten Basen für die Zerlegung und mit einer reduzierten Anzahl von Parametern), wobei die Polynomkoeffizienten durch das EKF selbst angepasst werden. * Offset-freie Online-Schätzung der Zeitverzögerung (Totzeit) zwischen zwei periodischen Signalen von etwa gleicher Form, die ein ausgeprägtes (zueinander unkorreliertes) Messrauschen aufweisen, basierend auf einer Approximation fraktionaler Ordnung der transzendenten Übertragungsfunktion der Totzeit, die als Modell in einem neuartigen EKF verwendet wird. * Verwendung von zwei (E)KFs (eines für das lineare Subsystem und eines für das nichtlineare Subsystem eines neuartigen, mehrstufigen piezohydraulischen Aktors) in einer kaskadierten Schleifenstruktur, um die Rechenlast der Schätzung zu reduzieren, wobei die Schleifenstruktur durch geschickte Wahl geeigneter „Schnittstellen“ zwischen den beiden Beobachtern erst ermöglicht wird (u.a. durch die Verwendung einer gemeinsamen Systemmodellgleichung in beiden Beobachtern). Auch die Innovationen in Bezug auf nichtlineare Regelungsmethoden basieren auf Beobachtern: * Gleitzustands-Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors, der nichtlinearer Reibung und unbekannten Lastmomenten ausgesetzt ist, verbessert durch ein kontinuierliches, zustandsrückführungsbasiertes „äquivalentes Stellgesetz“ und mit einem neuen intelligenten Adaptierungsschema für die Amplitude des diskontinuierlichen Schaltanteils (für reduziertes chattering und somit weniger Energieverbrauch/Stellgliedverschleiß), das wiederum ermöglicht wird durch eine linear-modellprädiktive Meta-Regelung des bereits geregeltem Systems mit Taylor-linearisiertem Systemmodell, wobei eine beobachterbasierte Störgrößenkompensation (durch ein KF mit einem Doppelintegrator-Störmodell) für model-matching-Zwecke erforderlich ist. * Direkte Drehzahlregelung von permanentmagnet-erregten dreiphasigen Synchronmotoren, die eine hohe spezifische Leistung (bezogen auf das Volumen des Bauraums) haben, basierend auf einer neuartigen Gleitzustands-Regelung in einem mit dem Läufer rotierenden d,q-Koordinatensystem und mit einem neuen „äquivalenten Stellgesetz“ für beide Systemeingänge, und mit einer sekundären Gleitoberfläche, um die beiden Ströme (im d,q-System sind es nur zwei für das dreiphasige System) auf der Trajektorie mit minimalen Strömen für das erforderliche Drehmoment zu halten, wobei diese komplexe Regelungsstrategie ohne Messung des Rotorwinkels arbeitet (dank eines ebenfalls neuartigen EKF, das alle Zustände im statorfesten α,β-Koordinatensystem sowie das Stör-/Lastmoment und dessen Ableitung schätzt). In allen Fällen wurden Verbesserungen (im Vergleich zu den in der Literatur beschriebenen Methoden) in Bezug auf die Regel- und Schätzgüte erzielt und mittels Simulationsstudien oder Experimenten belegt.

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Metadaten
Author:Benedikt Haus (Dr. Ing.)ORCiDGND
URN:urn:nbn:de:gbv:luen4-opus4-11762
URL: https://pub-data.leuphana.de/frontdoor/index/index/docId/1176
Advisor:Paolo Mercorelli (Prof. Dr.- Ing.)
Referee:Paolo Mercorelli (Prof. Dr.-Ing.)ORCiD, Benjamin Klusemann (Prof. Dr.-Ing. habil)ORCiDGND, Nils Werner (Prof. Dr.-Ing.)GND
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of Publication (online):2021/08/26
Date of first Publication:2021/08/31
Publishing Institution:Leuphana Universität Lüneburg, Universitätsbibliothek der Leuphana Universität Lüneburg
Granting Institution:Leuphana Universität Lüneburg
Date of final exam:2020/12/17
Release Date:2021/08/31
Pagenumber:111
Note:
Das Rahmenpapier der kumulativen Dissertation enthält 4 Beiträge
Institutes:Fakultät Wirtschaftswissenschaften / Institut für Produkt und Prozessinnovation (PPI)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 621 Angewandte Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht