Modellbasierte Zustandsdiagnose

Der sichere und wirtschaftliche Betrieb von komplexen dynamischen Systemen erfordert neben deren stabiler Regelung auch Methoden zur Online-Überwachung. Dies trifft auf praktisch alle Industriezweige und deren Anwendungen zu, wie etwa Fahrzeuge, Traktionsbatterien, Brennstoffzellen, Kraftwerke, Kühlsysteme und viele andere industrielle Prozesse. Eine wichtige Disziplin der Regelungstechnik ist dabei die modellbasierte Zustandsdiagnose. Die Methoden der Zustandsdiagnose bzw. Zustandsbeobachtung sind dual zu Regelungsmethoden zu sehen.

Meist sind bei einem konkreten System nur wenige Zustandsgrößen bekannt beziehungsweise überhaupt messbar. Methoden der Zustandsschätzung zielen nun darauf ab, diese inneren Zustände und/oder auch unbekannte äußere Einflüsse, die auf das System wirken, anhand dieser wenigen Messungen zu bestimmen. Dabei wird grundsätzlich ähnlich wie in der Regelung vorgegangen: Ein sogenannter Beobachteralgorithmus greift laufend korrigierend in ein Simulationsmodell ein, sodass dessen simulierte Ausgänge möglichst gut mit den tatsächlichen Systemausgängen zusammenpassen. Unter passenden Bedingungen liefert dann dieses Modell die ansonsten nicht zugänglichen inneren Zustände des Systems.

Schema eines Zustandsreglers, die von einem Simulationsmodell korrigiert wird

Solche Methoden unterstützen uns in den unterschiedlichsten Bereichen des Lebens, so etwa bei der GPS-Navigation, bei der Regelung von Elektromotoren oder in der Diagnose von Flugzeugtriebwerken. Aber auch der wellenförmige Verlauf der COVID-19 Pandemie kann durch Zustandsbeobachtung analysiert und prognostiziert werden.

Veröffentlichungen

Hametner, Christoph, Martin Kozek, Lukas Böhler, Alexander Wasserburger, Zhang Peng Du, Robert Kölbl, Michael Bergmann, Thomas Bachleitner-Hofmann, and Stefan Jakubek. "Estimation of exogenous drivers to predict COVID-19 pandemic using a method from nonlinear control theory, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Nonlinear Dynamics 106, no. 1 (2021): 1111-1125.

Hametner, Christoph, Lukas Böhler, Martin Kozek, Johanna Bartlechner, Oliver Ecker, Zhang Peng Du, Robert Kölbl, Michael Bergmann, Thomas Bachleitner-Hofmann, and Stefan Jakubek. "Intensive care unit occupancy predictions in the COVID-19 pandemic based on age-structured modelling and differential flatness, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Nonlinear Dynamics (2022): 1-19.

Pernsteiner, Dominik, Alexander Schirrer, Lukas Kasper, René Hofmann, and Stefan Jakubek. "Data-based model reduction for phase change problems with convective heat transfer, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Applied Thermal Engineering 184 (2021): 116228.

Pernsteiner, Dominik, Alexander Schirrer, Lukas Kasper, René Hofmann, and Stefan Jakubek. "State estimation concept for a nonlinear melting/solidification problem of a latent heat thermal energy storage, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Computers & Chemical Engineering 153 (2021): 107444.

Ritzberger, Daniel, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "A real-time dynamic fuel cell system simulation for model-based diagnostics and control: Validation on real driving data, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Energies 13, no. 12 (2020): 3148.

Böhler, Lukas, Daniel Ritzberger, Christoph Hametner, and Stefan Jakubek. "Constrained extended Kalman filter design and application for on-line state estimation of high-order polymer electrolyte membrane fuel cell systems, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." international journal of hydrogen energy 46, no. 35 (2021): 18604-18614.

Fuhrmann, Florian, Alexander Schirrer, and Martin Kozek. "Model-predictive energy management system for thermal batch production processes using online load prediction, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Computers & Chemical Engineering 163 (2022): 107830.

Hametner, Christoph, Stefan Jakubek, and Wenzel Prochazka. "Data-driven design of a cascaded observer for battery state of health estimation, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." IEEE Transactions on industry applications54.6 (2018): 6258-6266.

Kontakt

Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Stefan Jakubek

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