Beschreibung
Aktuelle Anforderungen an eine effiziente Kraftstoffverbrennung und niedrige Schadstoffemissionen verlangen strukturelle Anpassungen bei der Konzeption von Motorkühlsystemen. Dies beinhaltet insbesondere eine Elektrifizierung der Komponenten des Kühlsystems. Das innovative Motorkühlsystem mit seinen elektromechanischen Komponenten kann dann als ein System mit fluidischen und thermodynamischen Stelleingriffen angesehen werden. Durch die Verwendung von elektrischen Komponenten können Abhängigkeiten, wie zum Beispiel die Fördermenge der Pumpe als Funktion der Motordrehzahl, variabel gestaltet werden. Hiermit kann zu einer effizienteren Verbrennung des Kraftstoffs als auch einer Verringerung der Schadstoffemission beigetragen werden. Auf Basis des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik kann ein regelungsorientiertes Modell hergeleitet werden, welches die dominanten dynamischen Effekte beschreibt. Um die nominalen Modellparameter zu bestimmen, wird eine Parameteridentifikation mittels nichtlinearer Optimierungsverfahren durchgeführt. In den Regelungskonzepten wird die Drehzahl des Radiators als Stellgröße betrachtet. Daher kann der Wärmestrom an die Umgebung über die Ventilatordrehzahl beeinflusst werden. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf eine Trajektorienfolgeregelung der Motoraustrittstemperatur. Um typische Szenarien für das Motorkühlsystem nachzubilden, werden zwei unterschiedliche Betriebsarten des Abwärmeverhaltens des Motors untersucht. Im ersten Szenario wird das Folgeverhalten entlang einer Solltrajektorie mit veränderlicher Temperatur bei einem konstanten Wärmeeintrag des Motors betrachtet. Im zweiten Szenario wird der Wärmeeintrag des Motors variiert, wobei die Motoraustrittstemperatur möglichst konstant gehalten werden soll. In diesem Modus können sowohl der Start-Stop-Betrieb des Kraftfahrzeuges als auch verschiedene Lastzustände nachgebildet werden. Derzeit werden gesteuert-adaptierte PI-Konzepte zur Regelung der Motoraustrittstemperatur verwendet. Aufgrund der nichtlinearen dynamischen Eigenschaften der Regelstrecke eröffnet sich hinsichtlich Genauigkeit und Robustheit ein großes Verbesserungspotential, wenn vorhandene Nichtlinearitäten und Parameterunsicherheiten im Regelungsansatz berücksichtigt werden. Die Regelungsentwürfe können in zwei Gruppen unterteilt werden: Die erste basiert auf der Flachheit von nichtlinearen Systemen, wohingegen in der zweiten Backstepping-Techniken genutzt werden. Darüber hinaus wird ein neuartiger adaptiver Backstepping Regler für die Schätzung von sogenannten "matched uncertainties" sowie "mismatched uncertainties" vorgestellt, bei dem die Adaptionsgesetze ähnlich zu dem eines nichtlinearen reduzierten Störbeobachters sind. Dieser neue Ansatz garantiert die Konvergenz der geschätzten Parameter zu den unbekannten Zahlenwerten, im Gegensatz zu den bekannten Methoden der Überparametrisierung sowie des Tuning-Funktion-Designs. Außerdem wird die vorgeschlagene dezentrale Regelungsmethode durch Zustands- und Störbeobachter erweitert. Es werden zwei nichtlineare Schätzverfahren untersucht und entworfen, welche die Schätzwerte für nicht messbare Systemzustände und unbekannte Störungen liefern. Für die Berechnung der Zeitableitungen der geschätzten Störgrößen, die in der Implementierung benötigt werden, wird ein robuster Sliding-Mode-Differenzierer eingesetzt. Die Stabilität des geschlossenen Regelkreises wird für die modellbasierten Regelungen in Kombination mit den Schätzverfahren in Simulationen analysiert. Die Versuchsergebnisse wurden an einem innovativen Prüfstand im Labormaßstab am Lehrstuhl für Mechatronik der Universität Rostock gewonnen. Das hohe Potential der vorgestellten modellbasierten Regelungskonzepte wird anhand zahlreicher experimenteller Ergebnisse belegt. Dabei liegt das Augenmerk sowohl auf dem Trajektorien-Folgeverhalten als auch auf der stationären Genauigkeit und Robustheit.
