Das Projekt "EUREKA-Projekt: TASQUE (EU 240) - TAMARA: Hilfsmittel fuer die Entwicklung und den Nachweis zuverlaessiger Software (Techniques and Tools for Development and Assessment of Reliable Software)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von TÜV Nord e.V., Geschäftsstelle Hamburg durchgeführt. Ziel des angebotenen Vorhabens ist es, Hilfsmittel fuer die Qualitaetssicherung von Software zu entwickeln, die fuer Automatisierungssysteme in umweltkritischen und sicherheitrelevanten verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt wird. Das Vorhaben ist Teil des EUREKA-Projektes Nr. 240 Tools for Assisting Software Quality Evaluation (TASQUE). Die Schwerpunkte des Vorhabens sind: - Test Activity Support (Werkzeuge zur Testunterstuetzung), - Statistical and AI-based Interpretation (Spezifikation, Auswahl und Entwicklung von Werkzeugen zur Interpretation von Pruefergebnissen). Nutzen und Bedeutung des Vorhabens sind: Die Hilfsmittel sollen zu einer Verbesserung der Qualitaetssicherung von Software - vor allem bei der Entwicklung - fuehren. Aufgrund der europaeischen Zusammenarbeit erwarten wir, dass die Massstaebe der Qualitaetssicherung in der Software-Entwicklung fuer umweltkritische und sicherheitsrelevante Automatisierungssysteme wesentlich verbessert und vereinheitlicht werden koennen.
Das Projekt "Selbsteinstellender Mehrgrößenregler für die Betriebsoptimierung von Kläranlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI durchgeführt. Der Reinigungsvorgang in der Kläranlage ist ein nichtlinearer Mehrgrößenprozess mit oszillierendem Arbeitspunkt, hervorgerufen durch den zivilisatorischen Lebensrythmus, der von Witterungseinflüssen überlagert ist. Seine Teilprozesse beeinflussen sich gegenseitig stark. Deshalb wird eine Mehrgrößenregelung mit selbst einstellenden Parametern entwickelt, die für unterschiedliche Anlagen modular konfigurierbar ist. Der aktuelle Erkenntnisstand bei der Modellbildung von Kläranlagen ist die Grundlage der überwiegend modellbasierten Reglersynthese. Ergebnis des Projektes ist eine Reglersoftware für die Basisautomatisierungsebene (SPS). Zielstellung für den Einsatz selbst einstellender Regler ist die Optimierung von Abwasserreinigungsprozessen durch: Verminderung der Abwasserabgabe bei sicherer Einhaltung minimierter Ablaufwerte für Stickstoff und Phosphor/Einsparung von Investitionsmitteln durch Ertüchtigung von Kläranlagen mit Hilfe lastabhängiger Prozessführung/Optimierung des Energieverbrauches/Verminderung der Zugabe von chemischen Zusatzstoffen/Verminderung des Bedienaufwandes und der Störfallauswirkungen.
Das Projekt "Stoffkreislaufschliessung bei abtragenden Verfahren in Prozessloesungen; Teilvorhaben: Optimierung der Ankopplung peripherer Systeme an die Prozessstufen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Automatisierungstechnik durchgeführt. Produktionsintegrierte, kontinuierlich arbeitende Stoffkreislaeufe auf Basis optimierter innovativer Fertigungs- und Recyclingtechnik sind ein wesentlicher Aspekt stoffverlustminimierter Prozesstechnik und erzielen am wirkungsvollsten Kostensenkung und oekologische Vorteile. Diese Effekte kommen in der Regel nur zum Tragen, wenn moderne Automatisierungssysteme die nun weit anspruchsvolleren Verfahren beherrschen und damit Prozesssicherung und Qualitaet auch bei engeren Toleranzen der Prozessparameter und erhoehter Prozessdynamik gewaehrleisten. Diesem Anspruch koennen bisherige Automatisierungsloesungen der Branche nicht gerecht werden. Zudem fehlen On-line-Messtechnik und Prozessmodelle als wichtige Voraussetzung fuer moderne Automatisierung. Ziel des gesamten Vorhabens ist deshalb die Entwicklung einer innovativen Automatisierungskonzeption fuer komplette Prozesseinheiten abtragender Verfahren, bestehend aus den Teilsystemen Prozessbad, Spuelsystem, Regenerator und Konzentrator, und von On-line-Messtechnik, die Modellierung der Vorgaenge in den Teilsystemen und die Nutzung der Modelle zum Entwurf automatischer Steuerungen sowie die modellhafte technische Anwendung automatisierter Stoffkreislaeufe mit vorangehenden Untersuchungen im Pilotmassstab. In der letzten Bearbeitungsphase des Vorhabens werden aufbauend auf Ergebnissen bisheriger Arbeiten Automatisierungsloesungen fuer komplette Prozesseinheiten abtragender Verfahren entwickelt und zur Absicherung der Ergebnisse in mehreren branchentypischen Anwendungsfeldern unter repraesentativen Rahmenbedingungen im technischen Massstab erprobt. Die so validierte Methodik zur Entwicklung von Automatisierungsloesungen fuer kontinuierlich arbeitende Stoffkreislaeufe wird abschliessend im Hinblick auf eine breite, auch branchenuebergreifende Nutzung der Ergebnisse aufbereitet.
Das Projekt "Teilprojekt: Multiskalenregelung von Niedertemperatur-Brennverfahren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH), Institute for Dynamic Systems and Control durchgeführt. Der aktuell in der Forschung untersuchte Ansatz zur Regelung der Niedertemperaturverbrennung (NTV) ist die zyklusbasierte Regelung. Diese Regelung erlaubt eine Stabilisierung der NTV allerdings nur in einem sehr eingeschränkten Kennfeldbereich. Mit einer zyklusbasierten Regelung können nur zyklusintegrale Systemdynamiken und Störgrößen kontrolliert werden. Die für die Stabilität und Emissionsentstehung der NTV relevanten chemisch, physikalischen Prozesse, die auf innerzyklischen Zeitskalen ablaufen, können nicht beeinflusst werden. Aus diesem Grund untersucht das TP1 die Multiskalenregelung, um auch die kleineren Zeitskalen berücksichtigen zu können. Es wird erwartet, dass mit erfolgreicher Regelung auf diesen kritischen Zeitskalen der Kennfeldbereich deutlich ausgeweitet, der Wirkungsgrad verbessert und die Schadstoffemissionen reduziert werden können. Die Multiskalenregelung stellt für die Lösung dieses Problems Neuland dar. Hierbei werden die motorischen NTV-Prozesse PCCI und GCAI betrachtet. In TP1 wird die Reglerarchitektur für die Multiskalenregelung bestehend aus der Kombination von Zyklus-zu-Zyklus Regelung und einem In-Zyklus-Regler entwickelt. Um der komplexen nichtlinearen Mehrgrößen-Systemdynamik Rechnung zu tragen, sollen auf einem Modell des Prozesses beruhende optimierungsbasierte Verfahren angewendet werden. Hierfür werden die in TP2 für zyklische Prozesse entwickelten numerischen Methoden zur iterativ lernenden nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (IL-NMPC) als Grundlage verwendet. Prozessspezifisch erfolgt eine Analyse und Bewertung möglicher Stell- und Regelgrößen sowie die Aufteilung dieser Größen auf die verschiedenen Zeitskalen. Darüber hinaus werden auch geeignete Formulierungen der Optimierungsaufgabe untersucht. Die reglerinternen Modelle werden in TP1 in Zusammenarbeit mit TP3 für den GCAI- und mit TP4 für den PCCI-Prozess erarbeitet. Während sich diese beiden Teilprojekte auf die physikalische Modellierung und die quantitative Beschreibung des Prozesses konzentrieren, liegt der Fokus von TP1 darauf, die dort erarbeiteten Beschreibungsformen in eine regelungstechnisch effektiv verwendbare Struktur zu bringen. Hierfür sollen physikalisch motivierte Grey-Box-Modelle entstehen. Zudem werden Störgrößenmodelle entwickelt, die vor dem Hintergrund physikalischer und systemtheoretischer Überlegungen aufgestellt werden sollen. Abschließend werden die entwickelten Regelalgorithmen gemeinsam mit TP3 und TP4 an den jeweiligen Motorenprüfständen validiert. Entscheidende Kriterien stellen dabei der abdeckbare Kennfeldbereich, in dem ein stabiler Betrieb und transiente Lastprofile realisiert werden können, sowie das Potential zur Emissionsreduktion und Wirkungsgradsteigerung dar.
Das Projekt "Teilprojekt: Numerische Methoden zur optimierungsbasierten Regelung zyklischer Prozesse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH), Institute for Dynamic Systems and Control durchgeführt. Das Gesamtziel der Forschergruppe ist die Entwicklung von optimierungsbasierten Regelungen für Niedertemperatur-Verbrennungsmotoren. Die untersuchte Anwendung stellt einen schnellen, zyklischen und stark nichtlinearen Prozess dar. In TP2 werden für schnelle nichtlineare zyklische Prozesse die grundlegenden Methoden erarbeitet, die es erlauben, die auftretenden Optimalsteuerungsprobleme effizient zu formulieren und in Echtzeit, was für schnelle Prozesse innerhalb weniger Millisekunden bedeutet, auf eingebetteter Regelungshardware numerisch zu lösen. Als Basisregelstrategie soll die Methode der iterativ lernenden Regelung (ILC) mit der Methode der nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Regelung (NMPC) kombiniert werden. Das Ergebnis soll ein Echtzeititerationsschema für iterativ lernende NMPC (IL-NMPC) sein, das als Zustands- und Parameterschätzer einen Moving Horizon Beobachter (MHE) nutzt. Um die Herausforderung der Echtzeitfähigkeit zu lösen, sollen die in den IL-NMPC-Optimierungsproblemen vorkommenden Strukturen gezielt in der Numerik genutzt werden. Dies betrifft unter anderem die Ausnutzung der Periodizität in der linearen Algebra der MHE- und NMPC-Probleme und die Entwicklung neuer impliziter Integrationsmethoden, die sich durch eine Verzahnung der Ableitungsgenerierung und den IL-NMPC-Optimierungsiterationen auszeichnen. Zunächst soll die IL-NMPC auf Zyklus-zu-Zyklus Basis arbeiten, also mit einer Abtastzeit von 10-60 ms, die der Zyklusdauer entspricht. Hierbei ist entscheidend, dass die Verzögerung des Stelleingriffs wesentlich kürzer als ein Zyklus sein muss, was durch ein Echtzeititerationsschema mit Aufteilen der Rechenzeit in Vorbereitungs- und Feedbackphase ermöglicht wird. In einem zweiten Schritt soll die IL-NMPC um die Fähigkeit des Stelleingriffs auf verschiedenen Zeitskalen erweitert werden. Dies bedeutet, dass nun auch innerhalb des Zyklus Stelleingriffe durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sollen Konzepte unterschiedlicher Komplexität erarbeitet werden. Diese reichen bis hin zu der Entwicklung von maßgeschneiderten Multi-Level-Echtzeititerationsschemata, die eine optimierungsbasierte Regelung im kHz-Bereich ermöglichen sollen. Die in dem Teilprojekt entstehenden numerischen Methoden werden für die Anwendung in Verbrennungsmotoren optimiert, sind aber auch applikationsübergreifend für andere zyklische Prozesse einsetzbar. Daher sollen sie im Rahmen eines Tools zur automatischen Codegenerierung der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt werden.