Weise, Christoph
[Author]
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Reger, Johann
[Degree supervisor];
Ruderman, Michael
[Degree supervisor];
Mercorelli, Paolo
[Degree supervisor]Technische Universität Ilmenau
Applications of equivalent representations of fractional- and integer-order linear time-invariant systems
University thesis:
Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2020
Footnote:
Tag der Verteidigung: 16.06.2020
Description:
Nicht-ganzzahlige - fraktionale - Ableitungsoperatoren beschreiben Prozesse mit Gedächtniseffekten, deshalb werden sie zur Modellierung verschiedenster Phänomene, z.B. viskoelastischen Verhaltens, genutzt. In der Regelungstechnik wird das Konzept vor allem wegen des erhöhten Freiheitsgrades im Frequenzbereich verwendet. Deshalb wurden in den vergangenen Dekaden neben einer Verallgemeinerung des PID-Reglers auch fortgeschrittenere Regelungskonzepte auf nicht-ganzzahlige Operatoren erweitert. Das Gedächtnis der nicht-ganzzahligen Ableitung ist zwar essentiell für die Modellbildung, hat jedoch Nachteile, wenn z.B. Zustände geschätzt oder Regler implementiert werden müssen: Das Gedächtnis führt zu einer langsamen, algebraischen Konvergenz der Transienten und da eine numerische Approximation ist speicherintensiv. Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, mit welchen Maßnahmen sich das Konvergenzverhalten dieser nicht ganzzahligen Systeme beeinflussen lässt. Es wird vorgeschlagen, die Ordnung der nicht ganzzahligen Ableitung zu ändern. Zunächst werden Beobachter für verschiedene Klassen linearer zeitinvarianter Systeme entworfen. Die Entwurfsmethodik basiert dabei auf einer assoziierten Systemdarstellung, welche einen Differenzialoperator mit höherer Ordnung verwendet. Basierend auf dieser Systembeschreibung können Beobachter entworfen werden, welche das Gedächtnis besser mit einbeziehen und so schneller konvergieren. Anschließend werden ganzzahlige lineare zeitinvariante Systeme mit Hilfe nicht-ganzzahliger Operatoren dargestellt. Dies ermöglicht eine erhöhte Konvergenz im Zeitintervall direkt nach dem Anfangszeitpunkt auf Grund einer unbeschränkten ersten Ableitung. Die periodische Löschung des so eingeführten Gedächtnisses wird erzielt, indem die nicht ganzzahlige Dynamik periodisch zurückgesetzt wird. Damit wird der algebraischen Konvergenz entgegen gewirkt und exponentielle Stabilität erzielt. Der Reset reduziert den Speicherbedarf und induziert eine unterlagerte zeitdiskrete Dynamik. Diese bestimmt die Stabilität des hybriden nicht-ganzzahligen Systems und kann genutzt werden um den Frequenzgang für niedrige Frequenzen zu bestimmen. So lassen sich Beobachter und Regler für ganzzahlige System entwerfen. Im Rahmen des Reglerentwurfs können durch den Resets das Verhalten für niedrige und hohe Frequenzen in gewissen Grenzen getrennt voneinander entworfen werden.