...

Randsteuerung von Wårmetauschern mit ærtlich verteilten Parametern: Ein flachheitsbasierter Zugang

by user

on
Category: Documents
20

views

Report

Comments

Transcript

Randsteuerung von Wårmetauschern mit ærtlich verteilten Parametern: Ein flachheitsbasierter Zugang
THEORETISCHE ARBEIT
at 8/2000
Randsteuerung von Wårmetauschern mit
ærtlich verteilten Parametern:
Ein flachheitsbasierter Zugang
Boundary Control of Heat Exchangers with Spatially Distributed Parameters:
A Flatness-Based Approach
Joachim Rudolph, TU Dresden
Herrn Prof. Dr.-Ing. M. Zeitz zum 60. Geburtstag gewidmet.
Die Erweiterung des von den nichtlinearen endlichdimensionalen Systemen stammenden
Flachheitskonzepts auf lineare Systeme mit ærtlich verteilten Parametern und Randeingriffen
wird hier zum Entwurf von Steuerungen fçr typische Parallelstrom- und Gegenstromwårmetauscher ausgenutzt. Operatorenrechnung gestattet die explizite Parametrierung der Læsungen durch sogenannte flache Ausgånge. Fçr den Parallelstromwårmetauscher çbernimmt die
Zuflusstemperatur der Heizflçssigkeit (bzw. der Kçhlflçssigkeit) die Rolle des flachen Ausgangs, beim Gegenstromwårmetauscher der Ortsgradient beim Zufluss der zu erwårmenden
(bzw. der zu kçhlenden) Flçssigkeit. Die Læsungen lassen Integraldarstellungen mit endlichem
Tråger zu, in denen Besselfunktionen auftreten; sie beschreiben ¹verteilte Totzeiten`` bzw.
¹verteilte Prådiktionen``. Es ergibt sich eine einfache exakte Methode fçr die Planung von
Ûbergangsvorgången zwischen stationåren Betriebszustånden und zur Berechnung der dazu
erforderlichen Steuerungen.
The extension of the flatness concept, stemming from nonlinear finite dimensional systems, to
linear systems with distributed parameters and boundary control is exploited here for the
control of typical heat exchanger models: with parallel flow and with counter-flow. Operational calculus allows us to obtain an explicit parametrization of the solution by a so-called flat
output. In the present case, this flat output is the inflow temperature of the heating (or
cooling) fluid in the parallel flow case, wheras in the counter-flow case it is the spatial gradient
of the temperature field at the inflow of the fluid to be heated (or cooled). These solutions give
rise to integral representations comprising Bessel functions which can be interpreted as
involving ¹distributed delays`` and ¹distributed predictions``. This leads to a simple exact
trajectory planning method for the transition between stationary regimes and to a direct
computation of the corresponding open-loop boundary controls.
1 Einleitung
Differentiell flache nichtlineare Systeme [3; 4; 17; 28; 30]
zeichnen sich durch eine vollståndige, endliche und freie
differentielle Parametrierbarkeit der Systemtrajektorien
aus: Die Læsung kann als differentielle Funktion voneinander unabhångig wåhlbarer Trajektorien eines sog. flachen
Ausgangs dargestellt werden. Auf der Grundlage dieser Eigenschaft konnten effiziente Methoden zur Trajektorienplanung und zur Folgeregelung entwickelt werden. In åhnat ± Automatisierungstechnik 48 (2000) 8
#
Oldenbourg Verlag
licher Weise eræffnet die sog. -Freiheit linearer Totzeitsysteme [21; 6], ein aus der Modultheorie linearer Systeme
[2] stammendes Steuerbarkeitskonzept, die Mæglichkeit
zur Læsung der Trajektorienplanung und der Folgeregelung
fçr diese speziellen unendlichdimensionalen Systeme ±
dieses Konzept bildet zusammen mit der Flachheit nichtlinearer Systeme auch den Ausgangspunkt fçr die Definition
der sog. -Flachheit nichtlinearer Totzeitsysteme [24]. Mit
Hilfe des Konzepts der -Freiheit konnten Steuerungen
und Regelungen fçr solche hyperbolischen linearen Sys-
399
at 8/2000
THEORETISCHE ARBEIT
teme mit verteilten Parametern und konzentrierten Stelleingriffen entworfen werden, die eine Modellierung als Totzeitsysteme zulassen [26; 8; 22; 23; 25].
Die Verallgemeinerung der -Freiheit eræffnet neue Mæglichkeiten fçr die Steuerung weiterer Systeme mit ærtlich
verteilten Systemen, deren Stellgræûen çber den Rand
(oder anderweitig ærtlich konzentriert) einwirken. Im Rahmen der Modultheorie werden diese Systeme durch Verwendung von an die jeweiligen Modelle angepassten Ringen beschrieben. Auf diese Weise konnten beispielsweise
schon parabolische Systeme behandelt werden, die Wårmeleitungsaufgaben oder einfache Rohrreaktoren beschreiben [10; 11; 17; 16; 29], sowie durch biharmonische Gln.
(Euler-Bernoulli-Balkengln.) beschriebene flexible Roboterarme [1; 9; 15] und ein piezo-elektrischer Bieger [14].
Einzelne Erweiterungen des Konzepts fçr spezielle nichtlineare Systeme mit verteilten Parametern sind ebenfalls
bekannt [17; 27; 32].
In [5] wurde fçr eine durch die (lineare) Telegraphengl. beschriebene Leitung eine Signalverarbeitungsmethode vorgeschlagen, die ebenfalls auf der hier interessierenden Freiheit linearer verteilter Systeme basiert. Die zur Beschreibung dieses Systems verwandten Operatoren sind jenen åhnlich, die in den math. Modellen einfacher Wårmetauscher auftreten: Sie fçhren auf Integrale mit endlichen
Trågern, die als ¹verteilte Totzeiten`` und ¹verteilte
Prådiktionen`` interpretiert werden kænnen (Man erinnere
sich daran, dass die verlustfreie Leitung auf Totzeitsysteme
fçhrt ± s. z.B. [22].) Entsprechend treten auch bei der Trajektorienplanung der hier untersuchten Wårmetauschermodelle solche ¹verteilten Totzeiten`` und ¹verteilten
Prådiktionen`` auf.
Zwei Klassen von Wårmetauschern werden untersucht:
Parallelstrom- und Gegenstromwårmetauscher. In Abschnitt 2 werden die mathematischen Modelle eingefçhrt
und dann mit Hilfe der Operatorenrechnung in eine fçr
den Entwurf von Steuerungen geeignete Form çberfçhrt.
In Abschnitt 3 wird eine Steuerung fçr den Ûbergang zwischen zwei stationåren Betriebszustånden entworfen. Dazu
wird jeweils einer Græûe, die die Rolle eines ¹flachen Ausgangs`` çbernimmt, eine Trajektorie zugewiesen: im Fall
des Parallelstroms der Zuflusstemperatur der erwårmenden
(oder kçhlenden) Flçssigkeit (die als Stellgræûe aufgefasst
werden kann), im Gegenstromfall dem Ortsgradienten der
zu erwårmenden (oder zu kçhlenden) Flçssigkeit beim Eintritt in den Wårmetauscher. Der erzielte Zeitverlauf der
Temperaturprofile wird mit Simulationsergebnissen illustriert, und die theoretischen Grundlagen werden in Abschnitt 4 skizziert.
2 Mathematische Modelle
Ein einfacher Wårmetauscher besteht aus zwei ineinander
steckenden zylindrischen Rohren mit einer gemeinsamen
Symmetrieachse (vgl. Bild 1). Nimmt man den Wårmeaustausch zwischen dem åuûeren Rohr und der Umgebung und
400
u(t) = Ta(0,t)
T a ( z , t ) νa
Ti(0,t)
T i ( z , t ) νi
z=0
z=1
Bild 1: Prinzipskizze eines einfachen Wårmetauschers.
die Wårmeleitung als vernachlåssigbar an, so erhålt man
ein mathematisches Modell der Form
@Ti
@Ti
‡ vi
ˆ a …Ta
@t
@z
@Ta
@Ta
‡ va
ˆ b … Ti
@t
@z
Ti †
Ta †:
…1a†
…1b†
Dabei stehen Ta …z; t† und Ti …z; t† fçr die Temperaturen im
åuûeren bzw. im inneren Rohr, z 2 ‰0; 1Š ist die Orts- und
t 0 die Zeitvariable. Die konstanten und reellen Parameter des Modells sind: die Stræmungsgeschwindigkeiten vi
und va , die Dichten i ; a und die spezifischen Wårmekapazitåten ci ; ca der Flçssigkeiten innen und auûen, schlieûlich der Wårmeaustauschkoeffizient i und die Radien der
Rohre ri und ra . Mit diesen physikalischen Parametern
kann man
aˆ
2 i
2 i ri
und b ˆ
ci i r i
ca a …r2a r2i †
definieren. Zur Vereinfachung der Schreibweise ist die
Långe des Wårmetauschers normiert.
Werden als Anfangsbedingung stationåre Profile angenommen, so kann in Folge der Linearitåt des Modells
Ti …z; 0† ˆ Ta …z; 0† ˆ 0
betrachtet werden; jedes andere stationåre Profil kann
durch Superposition addiert werden. Wird fçr den Gegenstromfall eine negative Geschwindigkeit im Innenrohr,
vi < 0, verwandt, sind die pDgln. des Modells in beiden
Fållen identisch. Hingegen ergeben sich unterschiedliche
Randbedingungen, denn der Zufluss des Innenrohrs befindet sich in diesem Fall bei z ˆ 1. Fasst man die Zuflusstemperatur des Auûenrohrs (bei z ˆ 0) als Stellgræûe auf,
u…t† ˆ Ta …0; t†, so ergeben sich die Randbedingungen
Ti …0; t† ˆ Ti0 …t† ˆ 0;
Ta …0; t† ˆ u…t†
fçr den Parallelstrom und
Ti …1; t† ˆ Ti1 …t† ˆ 0;
Ta …0; t† ˆ u…t†
bei Gegenstrom.
Es ist hilfreich, in den pDgln. durch die Geschwindigkeiten
zu dividieren und die Mittelwerte und Differenzgræûen als
Parameter zu verwenden:
1 1 1
1 1 1
; 4 ˆ
;
ˆ
‡
2 vi va
2 vi va
1 a b
1 a b
; 4 ˆ
;
ˆ
‡
2 vi va
2 vi va
at 8/2000
J. Rudolph: Randsteuerung von Wårmetauschern mit ærtlich verteilten Parametern . . .
damit lauten die Gln. (1)
@Ti
@Ti
‡ … ‡ 4†
@z
@t
@Ta
‡ …
@z
4†
@Ta
@t
2.1.2 Gegenstromwårmetauscher
… ‡ 4† …Ta
…
4† …Ti
Ti † ˆ 0
Fçr den Gegenstromwårmetauscher ergeben sich analog
die ortsabhångigen Ûbertragungsfunktionen
Ta † ˆ 0:
Nun gewinnt man die pDgln. des Gegenstromfalls aus denen des Parallelstromfalls, indem man vi > 0 verwendet und
jeweils durch 4 und durch 4 ersetzt, und vice
versa.
G TTia0 …z; s† ˆ
N 1 …z; s† T^i …z; s†
ˆ
D…s†
T^a …0; s†
G TTaa0 …z; s† ˆ
N 2 …z; s† T^a …z; s†
;
ˆ
D…s†
T^a …0; s†
mit
D…s† ˆ e
2.1 Ûbertragungsfunktionen
Einfçhren des Operators s fçr die Ableitung nach der Zeit t
und der Operatorfunktionen1 T^i …z; s† und T^a …z; s† ± s. dazu
Abschnitt 4 ± fçhrt auf das System gew. Dgln.
d T^i
‡ … ‡ 4† s T^i
dz
d T^a
‡ …
dz
4† s T^a
… ‡ 4† T^a
…
4† T^i
T^a ˆ 0:
Darin spielt s die Rolle eines Parameters. Fçr dieses lineare
Differentialgleichungssystem kann leicht die allgemeine
Læsung in Abhångigkeit der Randbedingungen bestimmt
werden. Dies fçhrt in bekannter Weise auf die im folgenden
detailliertenÛbertragungsfunktionen.
N 1 …z; s† ˆ e…s 4‡4† …z 1† … ‡ 4†
p
sinh 2 s2 ‡ 2 s ‡ 42 …1
p
2 s2 ‡ 2 s ‡ 42
N 2 …z; s† ˆ e…s 4‡4† …z 1†
q
cosh 2 s2 ‡ 2 s ‡ 42 …1
2.1.1 Parallelstromwårmetauscher
s ‡
Fçr den Parallelstromwårmetauscher ergibt sich
^
T^i …z; s† ˆ G TTia0 …z; s† u…s†
q #
"
2
sinh… 42 s2 ‡ 24 4s ‡ z†
q
ˆ … ‡ 4†
2
42 s2 ‡ 244 s ‡ e
…s ‡† z
^
u…s†
^
T^a …z; s† ˆ G TTaa0 …z; s† u…s†
"
q
ˆ
2
cosh… 42 s2 ‡ 244 s ‡ z† ‡
q #
2
sinh… 42 s2 ‡ 24 4s ‡ z†
q
…s 4 ‡ 4†
2
42 s2 ‡ 244 s ‡ e
…s ‡† z
^
u…s†;
mit den ortsabhångigen Ûbertragungsfunktionen G TTia0 …z; s†
und G TTaa0 …z; s† von der Stellgræûe u ˆ Ta0 jeweils zu den
Temperaturen innen und auûen an der Stelle z.
1
Die sich mit dem hier verwendeten MikusÌnskischen Operatorenkalkçl ergebenden Ausdrçcke entsprechen in vielen Anwendungen
jenen, die sich bei einer Verwendung der Laplacetransformation ergåben ± s. hierzu z.B. [20]. Die Voraussetzungen zur Anwendung
dieses Operatorenkalkçls sind weniger streng und gestatten die Læsung der hier untersuchten Aufgabe.
q
cosh 2 s2 ‡ 2 s ‡ 42 ‡
p!
2 2
2
sinh s ‡ 2 s ‡ 4
p
s ‡ 2 s2 ‡ 2 s ‡ 42
T^i ˆ 0
…s 4‡4†
sinh
z†
z† ‡
p
2 s2 ‡ 2 s ‡ 42 …1
p
2 s2 ‡ 2 s ‡ 42
z†
!
:
Unter Verwendung von
^ ˆ D 1 …s† T^ a …0; s†
B…s†
kænnen T^ i …z; s† und T^ a …z; s† dargestellt werden, ohne den
zu D…s† inversen Operator zu benutzen:
^
T^ i …z; s† ˆ N 1 …z; s†B…s†
^
T^a …z; s† ˆ N 2 …z; s†B…s†:
^
Es lohnt sich, die physikalische Bedeutung der Græûe B…s†
offenzulegen, die die Rolle eines ¹flachen Ausgangs``
çbernimmt. Man verifiziert leicht durch Ableiten von T^i
nach z und Auswerten bei z ˆ 1, dass sie (bis auf eine Skalierung) den Ortsgradienten des Temperaturprofils Ti …z; t†
im Innenrohr bei z ˆ 1 beschreibt:
B…t† ˆ
1
@T i
…1; t†:
… ‡ 4† @z
Stationår entspricht dieser Gradient der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Rohren an der Stelle z ˆ 1, das
ergibt sich aus der pDgl. (1a) des Modells.
Es kann nun bereits ein wesentlicher Unterschied zwischen
den beiden Fållen unterstrichen werden: Wåhrend im Parallelstromfall zur Berechnung der Temperaturprofile keiner
der auftretenden Operatoren invertiert werden muû, wird
401
THEORETISCHE ARBEIT
at 8/2000
^ ereine solche Operatorinversion zum Einfçhren von B…s†
forderlich. Aus dieser Græûe kænnen allerdings die Temperaturen dann leicht berechnet werden, diese Berechnung
bildet den Inhalt des nåchsten Abschnitts. Die Erærterung
dieser Unterschiede wird in der Folge noch vertieft.
3 Ûbergang zwischen stationåren
Profilen
Fçr den Gegenstromwårmetauscher treten die gleichen
Operatoren auf: Es gençgt somit auch hier, jeweils mit q4
und  mit
4 zu vertauschen. Mit

2
2
ˆ
‡ …4† / erhålt man
… ‡ 4†
Ti …z; t† ˆ
2
e
B…t
Z
…1 z †
…1 z†
† d
3.1 Zeitabhångige Læsungen
Zur Berechnung der Funktionen, die den in den Gln. fçr die
Wårmetauscher auftretenden Operatoren und Operatorfunktionen entsprechen, kann man sich der Korrespondenzentafeln der Laplacetransformation bedienen. So findet
man beispielsweise als Nr. 337 in der Tabelle des Buchs
von G. Fodor [13]
(
p )
p
T 2 ‡2
e
L 1 p ˆ 1…t T † J0 t2 T 2
2 ‡ 2
fçr T > 0, wobei J0 die Besselsche Funktion erster Gattung
nullter Ordnung ist. Diese Korrespondenz kann im Rahmen
von MikusÌnskis
zur Berechnung
p Operatorenkalkçl
p
p von
2
2
2
2
sinh…T ‡ † / … ‡ † und cosh…T 2 ‡ 2 † auf
T < 0 ausgedehnt werden (Man kann das Ergebnis leicht
verifizieren.). Die Substitution von
q
2
‡ …4†2
4
ˆs‡
; und T ˆ 4 z
; ˆ
4
4
fçhrt fçr den Parallelstromfall auf
Ti …z; t† ˆ
… ‡ 4† e z
2 4
4
Z z q
J0 2 …4 z†2
4 z
e
4
4 Ta …0; t
z
† d und
e z
Ta …z; t† ˆ
2
4
q
Z z
4 z q J1 2 …4 z†2
2 …4 z†2
4 z
e
4
4 e…4
Ta …0; t z † d ‡
† z
Ta …0; t … 4†z†;
Ta …z; t† ˆ
2
e
e
Z
…1 z †
… …1
z†
…1 z†
B…t
…1 z†
q
J 0 2 … … 1 z † †2
q
† J1 2 … …1 z††2
q
2 … … 1 z † †2
† d‡
B…t ‡ …1
z††:
Hier wird neben der ¹verteilten Totzeit`` auch eine ¹verteilte Prådikton`` (jeweils endlicher Amplitude) erforderlich: Die geplante Trajektorie von B muû um im Voraus
bekannt sein, denn zur Berechnung der Temperaturen an
der Stelle z ˆ 0 wird B…t ‡ † benætigt.
3.2 Trajektorienplanung und Berechnung der
Steuerungen
Zur Parametrierung eines Ûbergangs zwischen zwei stationåren Profilen reicht es nun aus, folgende Trajektorien fçr
den jeweiligen ¹flachen Ausgang`` zu wåhlen:
‰0; t Š 3 t 7 !u…t† 2 R fçr die Stellgræûe u im Parallelstromfall;
und ‰0; t Š 3 t 7 !B…t† 2 R fçr den Gradienten
@Ti / @z…1; t† beim Gegenstromwårmetauscher.
Man beachte, dass (im Gegensatz beispielsweise zu den parabolischen pDgln. in [10; 11; 16]) keinerlei Differenzierbarkeitseigenschaften fçr diese Trajektorien gefordert werden mçssen: Es handelt sich um ein hyperbolisches System.
Fçr den Parallelstromwårmetauscher wird der Endwert der
Trajektorie aus dem gewçnschten stationåren Wert der
Temperatur im Innenrohr am Ende des Ûbergangsvorgangs
berechnet, also aus Ti …1; t † ˆ T istat: (1); es muû
u…t † ˆ Tastat: …0† ˆ
2
… ‡ 4† …1
e
2 †
Ti …1; t †
gelten. Die Wahl der Funktion zwischen dem Anfangswert
u…0† ˆ 0 und dem Endwert u…t † ist a priori freigestellt.
mit der Besselfunktion erster Gattung erster Ordnung J1 .
Es ergibt sich also fçr die Temperaturprofile jeweils ein Integral mit endlichem Tråger, das als ¹verteilte Totzeit`` interpretiert werden kann2.
Fçr den Gegenstromfall wird åhnlich vorgegangen:
2
Man kann dieses Ergebnis auch mit der Riemannschen Integrationsmethode ableiten.
Die Stellgræûe ergibt sich daraus durch Auswertung von
Ta …z; t† an der Stelle z ˆ 0.
402
B…t † ˆ
4
T i …0†:
… ‡ 4† sinh…4† stat:
at 8/2000
J. Rudolph: Randsteuerung von Wårmetauschern mit ærtlich verteilten Parametern . . .
3.3 Simulationsergebnisse
Fçr den Parallelstromwårmetauscher zeigen Bild 2 und
Bild 3 die zeitliche Verånderung der Temperaturprofile.
1.4
1.2
1
0.8
1.4
0.6
1.2
0.4
1
0.2
0.8
0
1
0.6
0.8
200
0.6
0.4
150
0.4
0.2
z
0
100
0.2
50
0
0
t
1
0.8
200
0.6
150
0.4
100
0.2
z
50
0
t
0
Bild 2: Zeitlicher Verlauf des ortsabhångigen Temperaturprofils im Innenrohr eines Parallelstromwårmetauschers bei einer linearen Erhæhung der Zuflusstemperatur im Auûenrohr.
Bild 5: Zeitlicher Verlauf des ortsabhångigen Temperaturprofils im Auûenrohr eines Gegenstromwårmetauschers bei einer linearen Erhæhung
von B…t†.
Diese Læsung entspricht einer in t linearen Erhæhung der
Stellgræûe u…t†, also der Temperatur Ta …0; t†.
Entsprechend zeigen die Bilder 4 und 5 das Verhalten eines
Gegenstromwårmetauschers bei einer in t linearen Erhæhung von B…t†.
1.4
1.2
4 Theoretische Grundlagen
1
0.8
Es soll hier nur ein kurzer Abriss der theoretischen Grundlagen gegeben werden. Eine umfassendere Abhandlung
findet sich z.B. in [7; 9; 12] und den darin angegebenen
Literaturstellen.
0.6
0.4
0.2
0
1
0.8
200
0.6
150
0.4
4.1 MikusinÂskis Operatorenkalkçl
100
0.2
z
50
0
t
0
Bild 3: Zeitlicher Verlauf des ortsabhångigen Temperaturprofils im Auûenrohr eines Parallelstromwårmetauschers bei einer linearen Erhæhung der Zuflusstemperatur im Auûenrohr.
1
Die Menge der stetigen Funktionen ‰0; ‡1‰! C, ausgestattet mit der Addition ‡, … f ‡ g† …t† ˆ f …t† ‡ g…t†,
R t und
dem Faltungsprodukt
?,
…
f
?
g†…t†
ˆ
…g
?
f
†
…t†
ˆ
0 f …†
Rt
g…t † d ˆ 0 g…† f …t † d bildet einen kommutativen Ring C. Einem berçhmten Satz von Titchmarsh zufolge
(s. [19; 20; 31]) ist C nullteilerfrei: f ? g ˆ 0 , f ˆ 0 oder
g ˆ 0. Der Quotientenkærper M von C heiût MikusinÂskiKærper, seine Elemente Operatoren.
Schreibweise: 1) Wird eine Funktion f …t† 2 C als Operator
aus M aufgefasst (durch Einbettung), so schreibt man dafçr oft f f …t†g.
0.8
0.6
2) Das (Faltungs-)Produkt zweier Operatoren a; b 2 M
wird ab geschrieben.
0.4
0.2
0
1
0.8
200
0.6
150
0.4
z
100
0.2
50
0
0
t
Bild 4: Zeitlicher Verlauf des ortsabhångigen Temperaturprofils im Innenrohr eines Gegenstromwårmetauschers bei einer linearen Erhæhung
von B…t†.
Beispiele: 1) Das neutrale Element, 1, in M heiût DiracOperator, dieser entspricht der Diracschen Distribution in
der Theorie von L. Schwartz, und er darf nicht mit der Heaviside-Funktion f1g 2 C verwechselt werden.
2) Die Heaviside-Funktion f1g besitzt ein inverses Element
in M, den Differentialoperator s, der der gewohnten Regel
gençgt: Ist f 2 C eine C 1 -Funktion, dann ist fsf g ˆ f f_g ‡
f f …0†g, mit f_ der Ableitung von f .
403
at 8/2000
THEORETISCHE ARBEIT
3) Die Operatoren des Unterkærpers C…s† der gebrochen rationalen Ausdrçcke in s haben die çbliche Bedeutung.
4) Die Operatoren e s , mit 2 R, > 0 sind die Totzeitoperatoren konstanter Amplitude . Ihre Inversen es sind
Prådiktionsoperatoren.
Eine Operatorfunktion [18; 19; 20] ist eine Abbildung
I ! M, I R; deren Stetigkeit, Differenzierbarkeit und
Integrierbarkeit kænnen in gewohnter Weise definiert werden.
4.2 Moduln und Systeme
Sei R ein çber C durch eine endliche Anzahl von Operatoren und Operatorfunktionen erzeugter Ring, und sei A ˆ
R‰ 1 Š, mit 2 R, eine R-Algebra. Ein lineares R-System
ist dann ein endlich erzeugter R-Modul3. Ist ein freier4
Modul, so wird eine Basis als flacher Ausgang5 bezeichnet.
^ mit ^ 2 , eine Basis, dann heiût
Ist A frei6 und 1 ,
^
-frei, und wird als -flacher Ausgang bezeichnet.
Beispiele: 1) Mit R ˆ R‰sŠ erhålt man ein zeitinvariantes
lineares endlichdimensionales System. Bilden z1 , . . ., zs
ein Erzeugendensystem des R-Moduls , dann kænnen
die Beziehungen
P zwischen diesen Græûen, die Systemgln.,
in der Form siˆ1 aj;i …s† zi ˆ 0, j ˆ 1, . . ., N, mit aj;i 2 R,
angeschrieben werden. Der Modul ist genau dann frei,
wenn er torsionsfrei ist: Das System ist dann steuerbar [2].
Jede beliebige Systemgræûe w 2 kann in diesem Fall als
R-Linearkombination der Komponenten einesPflachen Ausgangs …b1 , . . ., bm † dargestellt werden: w ˆ m
iˆ1 ci …s† bi ,
mit ci 2 R. Fçr ein durch nur zwei Græûen y und u erzeugtes R-System mit den Gln. d…s† y n…s† u ˆ 0 entspricht
die Steuerbarkeit bekanntlich der Teilerfremdheit von d…s†
und n…s†, und ein flacher Ausgang, also eine Basis von ,
ist dann das Element b 2 , fçr das gilt y ˆ n…s† b und
u ˆ d…s† b.
2) Mit R ˆ R ‰s; e s Š, 2 R, > 0 erhålt man ein System, dessen Gln. ein Totzeitsystem beschreiben. Beispiele
mægen die eingefçhrten Konzepte illustrieren:
a) Sei 1 das durch y und u erzeugte R ‰s; e s Š-System mit
der Gl. s y se s u ˆ 0. Der Modul 1 ist nicht torsionsfrei und damit auch nicht frei, denn z ˆ y e s u 2 1
gençgt der Beziehung s z ˆ 0.
b) Sei 2 das durch y und u erzeugte R ‰s; e s Š-System
mit der Gl. s2 y ‡ e s y u ˆ 0. Der Modul 2 ist frei: y
3
Die Elemente eines endlich erzeugten R-Moduls sind Linearkombinationen, mit Koeffizienten in dem Ring R, einer endlichen Zahl
von sog. Erzeugenden. Es handelt sich also um zu Vektorråumen
analoge Strukturen: Vektorråume sind spezielle Moduln, die çber
einem Ring erzeugt werden, dessen Elemente Inverse bezçgl. der
Multiplikation besitzen, also çber einem Kærper.
4
Ein freier R-Modul ist ein R-Modul, der eine Basis besitzt, also
ein R-linear unabhångiges Erzeugendensystem. Auch hier erkennt
man den Spezialfall der Basis eines Vektorraums.
5
franzæsisch als ¹sortie basique`` oder ¹sortie plate``, englisch als
¹basic output`` oder als ¹flat output``
6
Man kann A als durch Hinzunehmen von 1 zu dem Ring R
entstanden verstehen, d.h. in dieser Struktur kænnen Potenzen von
1 in den Koeffizienten der Linearkombinationen auftreten.
404
ist eine Basis, denn alle Græûen in 2 sind R-Linearkombinationen von y und u ˆ …s2 ‡ e s † y, also von der Form
c y, mit c 2 R.
c) Sei 3 das durch y und u erzeugte R ‰s; e s Š-System mit
der Gl. s y e s u ˆ 0. Der Modul 2 ist torsionsfrei aber
nicht frei (ein geeignetes Kriterium findet sich z.B. in [6;
21]). Der R ‰s; e s, es Š-Modul R ‰s; e s , es Š 3 hingegen ist frei: Man kann u durch y ausdrçcken, wenn die
Multiplikation mit dem Prådiktionsoperator e s zugelassen
wird. Das System 3 ist folglich e s -frei und y ein e s flacher Ausgang. Die Erweiterung des Systems durch Hinzunahme einer Prådiktion erlaubt also die Parametrierung
der Læsung mit einer Trajektorie fçr y.
Was bedeuten diese Definitionen nun fçr die Wårmetauschermodelle? Fçr den Parallelstromwårmetauscher ist
das System der freie C ‰G TTia0 …z; s†, GTTaa0 …z; s†Š-Modul mit
^ Diese Definition des Systems besagt im weder Basis u.
sentlichen, dass die in einem math. Modell des Wårmetauschers auftretenden Græûen in der Form a u^ dargestellt werden kænnen, wobei a ein Polynom in GTTia0 …z; s†, GTTaa0 …z; s†
und s ist, mit komplexen Koeffizienten. So kænnen insbesondere T^a und T^i in dieser Weise dargestellt werden, wie
dies in Abschnitt 2.1.1 geschah.
Fçr den Gegenstromwårmetauscher ist das System der
C ‰N 1 …z; s†, N 2 …z; s†, D…s†Š-Modul , der durch T^i , T^a
und u^ erzeugt wird: Die Systemgln. kænnen mit Linearkombinationen der Græûen T^i , T^a und u^ mit Koeffizienten
in C ‰N 1 …z; s†, N 2 …z; s†, D…s†Š dargestellt werden (vgl. Abschnitt 2.1.2). Der Modul ist torsionsfrei7. Sei A ˆ
C ‰N 1 …z; s†, N 2 …z; s†, D…s†, D…s† 1 Š; dann ist das A-System
A frei und B^ eine Basis, also ist B^ ein D-flacher Ausgang von . Dies wurde in Abschnitt 2.1.2 ausgenutzt, um
lineare Gln. fçr die die Temperaturprofile beschreibenden
Systemgræûen T^i und T^a abzuleiten, in denen als Koeffizienten nur Ausdrçcke aus C ‰N 1 …z; s†, N 2 …z; s†, D…s†Š auftraten. Dadurch war es mæglich, die den Operatorfunktionen entsprechenden Funktionen von z und t zu bestimmen.
Auch hier wird also, analog zu dem oben als Beispiel c)
untersuchten Totzeitsystem, nach einer Erweiterung des
Systems durch Zulassen der Inversion eines Operators die
Parametrierung der Læsung mit einer Trajektorie fçr den
D…s†-flachen Ausgang B^ mæglich. Das fçhrt erneut auf
eine ± nun ¹verteilte`` ± Prådiktion.
5 Zusammenfassung
Wie fçr flache nichtlineare Systeme (endlicher Dimension) kænnen auch fçr die çblichen Modelle einfacher Wårmetauscher, lineare Systeme mit ærtlich verteilten Parametern und Randeingriffen, die Læsungen mit einem ¹flachen
Ausgang`` parametriert werden. Dies gestattet eine effiziente Planung von Ûbergangsvorgången und die Berechnung der dazu erforderlichen Stellsignale. Das zugrunde7
D.h. es gibt keine Beziehung der Form az ˆ 0 mit 0 6ˆ a 2
C ‰N 1 …z; s†, N 2 …z; s†, D…s†Š und z 2 .
J. Rudolph: Randsteuerung von Wårmetauschern mit ærtlich verteilten Parametern . . .
liegende Konzept erweitert das zur Flachheit analoge Konzept der -Freiheit linearer Totzeitsysteme mit Totzeiten
konstanter Amplitude. Die Interpretation der mit Hilfe des
Operatorenkalkçls erhaltenen Læsung im Zeitbereich ergibt ¹verteilte Totzeiten`` und ¹verteilte Prådiktionen``, die
durch Integrale mit endlichen Trågern beschrieben werden.
Wåhrend das Entwurfsverfahren fçr den Parallelstromwårmetauscher im wesentlichen die Berechnung der Læsung
fçr einen vorgegebenen Stellgræûenverlauf ausnutzt, wird
fçr den Gegenstromwårmetauscher der Zeitverlauf einer
Græûe vorgegeben, die zunåchst nicht zu den das System
beschreibenden sog. Systemgræûen gehært: Im zugrundeliegenden modultheoretischen Rahmen ist eine Erweiterung des Systems durch Hinzunahme eines inversen Operators erforderlich. Auf diese Weise kommt es zum Auftreten einer ¹verteilten Prådiktion``.
Eine Reihe weiterer Beispiele zur Anwendung des vorgestellten Konzepts findet sich in der Literaturliste. Dabei treten je nach den pDgln. der Modelle unterschiedliche Operatoren auf, die im Gegensatz zur hier verwandten Integraldarstellung mitunter auf Reihendarstellungen fçhren. Wåhrend bei den hier untersuchten hyperbolischen Systemen
keinerlei Differenzierbarkeitsanforderungen an die Trajektorien des ¹flachen Ausgangs`` gestellt werden mçssen,
sind dann glatte Trajektorien erforderlich, die auûerdem
zusåtzlichen Bedingungen gençgen mçssen, um die Konvergenz der Reihen sicherzustellen.
Danksagung
Die vorgestellten Ergebnisse entstanden im Rahmen eines von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft gefærderten Projektes. Der
Dank des Autors gilt auch den ehemaligen Diplomanden am Institut
fçr Regelungs- und Steuerungstheorie Herrn Dipl.-Ing. Th. Wallstein und Herrn Dipl.-Ing. F. Woittennek fçr ihre Beteiligung an
den Berechnungen und den Programmierarbeiten zur Simulation.
Literatur
[1] Y. Aoustin, M. Fliess, H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph,
Theory and practice in the motion planning and control of a
flexible robot arm using MikusinÂski operators, in: Proc. IFACSYROCO Conf., Nantes, S. 287±293, 1997.
[2] M. Fliess, Some basic structural properties of generalized linear systems, Systems & Control Lett., 15, 391±396, 1990.
[3] M. Fliess, J. Lvine, P. Martin und P. Rouchon, Flatness and
defect of non-linear systems: introductory theory and applications, Internat. J. Control, 61, 1327±1361, 1995.
[4] M. Fliess, J. Lvine, P. Martin und P. Rouchon, A Lie-Båcklund approach to equivalence and flatness of nonlinear systems, IEEE Trans. Automat. Control, 44, 922±937, 1999.
[5] M. Fliess, Ph. Martin, N. Petit und P. Rouchon, Commande de
l'quation des tlgraphistes et restauration active d'un signal,
Traitement du Signal, Spcial, 15, 619±625, 1998.
[6] M. Fliess und H. Mounier. Controllability and observability of
linear delay systems: an algebraic approach, ESAIM: Control,
Optimisation and Calculus of Variations, 3, 301±314, (URL:
http://www.emath.fr/COCV/), 1998.
[7] M. Fliess und H. Mounier. Tracking control and -freeness of
infinite dimensional linear systems, in: Dynamical Systems,
Control, Coding, Computer Vision, G. Picci und D. S. Gilliam
(Hg.), Birkhåuser, Boston, S. 45±68, 1999.
at 8/2000
[8] M. Fliess, H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, Controllability and motion planning for linear delay systems with an
application to a flexible rod, in: Proc. 34th Conference on Decision & Control, New Orleans, S. 2046±2051, 1995.
[9] M. Fliess, H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, Syst mes
linaires sur les oprateurs de MikusinÂski et commande d'une
poutre flexible, ESAIM Proc., 2, 183±193,
(URL: http://www.emath.fr/proc/Vol.2/), 1997.
[10] M. Fliess, H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, Controlling the transient of a chemical reactor: a distributed parameter approach, in: Proc. Computational Engineering in Systems
Application IMACS Multiconference, Hammamet, Tunesien
(CESA '98), 1998.
[11] M. Fliess, H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, A distributed parameter approach to the control of a tubular reactor: a
multi-variable case, in: Proc. 37th Conference on Decision &
Control, Tampa, Florida, S. 439±442, 1998.
[12] M. Fliess, H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, Gevrey
functions, MikusinÂski's operational calculus and motion planning for some elementary distributed parameter systems, in
Vorbereitung.
[13] G. Fodor, Laplace transforms in Engineering, Akadmiai KiadÕ, Budapest, 1965.
[14] W. Haas und J. Rudolph, Steering the deflection of a piezoelectric bender, in: Proc. European Control Conference ECC
99, Karlsruhe, 1999.
[15] D. Hisseine, B. Lohmann und A. Kuczynski, Two control approaches for a flexible-link manipulator, in: Proc. IASTED
Int. Conf. Robotics and Automation, RA '99, Santa Barbara,
USA, 1999.
[16] B. Laroche, Ph. Martin und P. Rouchon, Motion planning for a
class of partial differential equations with boundary control,
in: Proc. 37th Conference on Decision & Control, Tampa, Florida, S. 3494±3497, 1998.
[17] P. Martin, R.M. Murray und P. Rouchon, Flat systems, Plenary
Lectures and Mini-Courses ECC-97, G. Bastin und M. Gevers
(Hg.), S. 211±264, 1997.
[18] J. MikusinÂski, Operatorenrechnung, VEB Deutscher Verlag
der Wissenschaften, Berlin, 1957.
[19] J. MikusinÂski, Operational Calculus, Bd. 1, Pergamon, Oxford & PWN, Warszawa, 1983.
[20] J. MikusinÂski und T. K. Boehme, Operational Calculus, Bd. 2,
Pergamon, Oxford & PWN, Warszawa, 1987.
[21] H. Mounier, Proprits structurelles des syst mes linaires ™
retards: aspects thoriques et pratiques, Dissertation, Universit Paris XI, Orsay, 1995.
[22] H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, -freeness of a long
electric line, in: Proc. Symposium on Modelling, Analysis and
Simulation, CESA '96 IMACS Multiconference, Lille, Frankreich, S. 28±29, 1996.
[23] H. Mounier, P. Rouchon und J. Rudolph, Some examples of
linear systems with delays, RAIRO-APII-JESA, 31, 911±925,
1997.
[24] H. Mounier und J. Rudolph, Flatness based control of nonlinear delay systems: a chemical reactor example, Internat. J.
Control, 71, 871±890, 1998.
[25] H. Mounier, J. Rudolph, M. Fliess und P. Rouchon, Tracking
control of a vibrating string with an interior mass viewed as
delay system, ESAIM: Control, Optimisation and Calculus of
Variations, 3, 315±321, (URL: http://www.emath.fr/COCV/),
1998.
[26] H. Mounier, J. Rudolph, M. Petitot und M. Fliess, A Flexible
Rod as a Linear Delay System, in: Proc. European Control
Conference 1995, Rom, S. 3676±3681, 1995.
[27] N. Petit, Y. Creff und P. Rouchon, Motion planning for two
classes of nonlinear systems with delays depending on the
control, in: Proc. 37th Conference on Decision & Control,
Tampa, Florida, S. 1007±1011, 1998.
405
at 8/2000
THEORETISCHE ARBEIT
[28] R. Rothfuû, Anwendung der flachbasierten Analyse und Regelung nichlinearer Systeme, V.D.I., Dçsseldorf, 1997.
[29] R. Rothfuss, U. Becker und J. Rudolph, Controlling a solenoid
valve ± a distributed parameter approach, erscheint in: Proc.
14th Int. Symp. Math. Theory of Networks and Systems, mtns
'2000, Perpignan, Juni 2000.
[30] R. Rothfuss, J. Rudolph und M. Zeitz, Flachheit: Ein neuer
Zugang zur Steuerung und Regelung nichtlinearer Systeme, at
± Automatisierungstechnik, 45, 517±525, 1997.
[31] P. Rouchon und J. Rudolph, Racteurs chimiques diffrentiellements plats : planification et suivi de trajectoires, erscheint
in: Automatique et procds chimiques, J. P. Corriou (Hg.),
Partie II, Chap. III.f, Hermes, 2000.
[32] K. Yosida. Operational Calculus. Springer-Verlag, New York,
1984.
406
Manuskripteingang: 13. Januar 2000.
Dr. Joachim Rudolph ist als Stipendiat im Habilitandenprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft am Institut fçr Regelungs- und Steuerungstheorie der TU Dresden bei Prof. K. Reinschke tåtig.
Hauptarbeitsfelder: Regler- und Beobachterentwurf
fçr nichtlineare Regelstrecken, algebraische Methoden, lineare und nichtlineare unendlichdimensionale
Systeme.
Adresse: Institut fçr Regelungs- und Steuerungstheorie, Technische Universitåt Dresden, Mommsenstr. 13, D-01062 Dresden,
E-Mail: [email protected]
Fly UP