Petri-Netz-basierte Simulation biologischer Prozesse mit OpenModelica

Ochel L. Petri-Netz-basierte Simulation biologischer Prozesse mit OpenModelica. Bielefeld: Universität Bielefeld; 2017

Modellbasierte Steuerung von quasi-diskreten Batch-Prozessen auf Basis physikalischer und datenbasierter Modelle

Die Industrieproduktion steht besonders an Standorten mit hohen Energiepreisen unter einem starken internationalen Wettbewerbsdruck. Modellprädiktive Steuerungen, die übergeordnete Zielgrößen wie den Energiebedarf erfassen, können wesentlich zur Steigerung der Energieeffizienz industrieller Prozesse beitragen. Eine Erweiterung gegenüber dem Stand des Wissens stellt die entwickelte Methodik zur modellprädiktiven Steuerungen komplexer quasi-diskreter Batch-Prozesse, die sogenannte rückkopplungskorrigierte optimale Planung, dar. Die in der Methodik zur Prozessmodellierung vorgeschlagenen Standardelemente vereinen Totzeitsysteme mit den, zur Modellierung von festen Prozesszeiten quasi-diskreter Batch-Prozesse erforderlichen, Beschränkungen. Für das Erreichen von Echtzeitfähigkeit reduzieren binäre Totzeitsysteme den Rechenaufwand zur Lösung des Optimalplanungsproblems und ermöglichen eine einfache Berücksichtigung des Prozessfortschritts im ökonomischen Gütefunktional. Weiterhin ist eine Beeinflussung des Kompromisses zwischen Rechenaufwand und Reaktionsfähigkeit durch die Wahl der Dauer eines Zeitschritts möglich. Die Anwendbarkeit der über einen Horizont ausgeführten optimalen Planung hängt von der Genauigkeit der Vorhersage der Prozess- und Störgrößen ab. Da eine Störgrößenprädiktion durch physikalische Modelle oft nicht oder nur sehr aufwendig möglich ist, wird als Erweiterung zum Stand des Wissens eine generisch anwendbare Vorgehensweise zur datenbasierten Prädiktion industrieller Prozessgrößen entwickelt. Die in der Vorgehensweise verwendeten sequentiellen Long Short-Term Memory (LSTM) Netzwerke ermöglichen eine Berücksichtigung zeitlich verschobener Korrelationen. Durch die Verwendung sequentieller LSTM-Netzwerke in Verbindung mit den hier vorgeschlagenen Sensitivitätskennwerten, die eine schnelle Selektion nicht-sensitiver Prozessgrößen zulassen, erfolgt eine systematische und zeiteffiziente Bestimmung der Netzwerktopologie mit geringer Komplexität. Die industrielle Anwendbarkeit der Vorgehensweise zeigt das Beispiel der Vorsteuerung der Wasserzugabe im Mischprozess einer Gießerei. Deren Erprobung im realen Produktionsbetrieb führt zu einer erheblichen Stabilisierung der Prozessgröße Verdichtbarkeit um deren Sollwert. Am Beispiel der Formstoffbereitstellung der Gießerei wird die einfache Anwendbarkeit der Methodik zur optimalen Planung demonstriert und in der Erprobung an der realen Produktionsanlage eine hohe Reduktion des Energiebedarfes erreicht. Durch die Erweiterung der optimalen Planung um eine, nach der Vorgehensweise zur LSTM-basierten Prädiktion systematisch und zeiteffizient erstellten, Vorhersage der Störgröße steigt die Energieeinsparung deutlich

Structural Compatible Ontologies for Automation Technology

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist ein integriertes Entwurfsverfahren für Automatisierungssysteme, bei dem sowohl die verhaltenbeschreibende als auch die gerätetechnische Sicht gleichermaßen Berücksichtigung finden. Dieses Entwurfsverfahren basiert auf der Erkennung, Überprüfung und Einhaltung von Ähnlichkeiten, die zwischen geräte- und verhaltensbeschreibenden Systemmodellen herrschen. So können die während der Geräte- und Anlagenplanung entstehenden Spezifikationen (Stücklisten, Baugruppenhierarchien, Netzwerke) bis in die aus automatisierungstechnischer Sicht notwendige Detailltiefe in den Verhaltensmodellen konsistent nachgezogen werden. Auf der Basis prozesstheoretischer Überlegungen werden kombinierte Petrinetz- und Bondgraphen-Modelle als dynamische Beschreibungsmittel gewählt, um das für Automatisierungssysteme typische hybride Verhalten darstellen zu können. Für die Beschreibung gerätetechnischer Strukturen dient das STEP-Produktmodell nach ISO 10303. Um die Ähnlichkeiten zwischen der verhaltenbeschreibenden und der gerätetechnischen Sicht formal fassen zu können, werden die den Systemmodellen zugrundeliegenden Modellkonzepte in Ontologien überführt und diese dann mit strukturverträglichen Abbildungen, sogenannten Morphismen, aufeinander abgebildet. Sowohl die Ontologien als auch die über diesen Ontologien definierten Morphismen werden mit Mitteln der OMA (Object Management Architecture) in MOF/UML-Modelle und OCL-Spezifikationen übertragen. Diese Spezifikationen sind dann die Implementationsgrundlage einer Reihe von Softwarewerkzeugen, die einen Entwurfsrahmen bilden, mit dem das integrierte Entwurfsverfahren anhand von einfachen Beispielen näher untersucht wird.We present an integrated design methodology for automation systems, where both the behavioural and the device oriented aspects are considered. The design methodology is based on the recognition and compliance of similarities, which can be found between device oriented and behaviour describing system models. Herewith it is possible to align the behavioural models with existing device specifications (part lists, bills of material, assembly hierarchies networks) in a consistent way and with the granularity that is adequate for automation systems design. Based on a formal process theory the combination of Petrinets and Bondgraphs is choosen to represent the hybrid process dynamics which are characteristic for automation systems. The device oriented structures are described with STEP product models according to ISO 10303. The formal specification of the aforesaid similarities between device oriented and behavioural system models is achieved within two steps. First the used description methods are transformed into ontologies. Then the ontologies are mapped on each other based on structure respecting mappings called morphism. Both the ontologies and the morphisms are defined by means of OMA (Object Management Architecture), namely MOF/UML for the ontology specification and OCL for the morphism specification. These specifications are then the basis for the implementation of different software tools which are combined into one development framework. Utilizing this framework the integrated design methodology is examined with simple examples

Optimierung autonom schaltender dynamischer Hybridsysteme

Simulation and optimization based on physical models are indispensable tools in process engineering, since they allow for cost-efficient improvement of design and operation. However, a broad variety of optimization problems are complicated due to the hybrid nature of the dynamic process model, e.g., in chemical processes, power plants and transport vehicles. In these kinds of systems, the continuous dynamics is strongly coupled with discrete phenomena such as transitions between operation modes. This in general leads to nonsmooth or even discontinuous state trajectories which makes the optimization of such systems an extremely challenging task. In this thesis, hybrid dynamic systems with autonomous mode transitions are considered, i.e., systems where the mode transition occurs autonomously when the system state fulfills a certain switching condition.In hybrid dynamic optimization problems, the switching between operation modes needs a specific treatment which eliminates the points of discontinuity or reformulates the model description into a continuous one. In this thesis, two reformulation methods are presented. The key step in both reformulation methods is the introduction of a continuous switching variable which, on the one hand, makes the problem smoother and, on the other hand, retains the hybrid feature in some way. This, generally, leads to a tradeoff of accuracy vs. stability and robustness of the optimization algorithm. The smoothing method proposed in this thesis approximates the instantaneous switch by a fast but smooth transition function. Another approach considered in the present work is smoothing by a penalty approach. In this method, the hybrid dynamic optimization problem is formulated as a bilevel problem. The inner minimization problem will then be replaced by ist optimality conditions. The resulting complementarity constraints enter the objective function of the outer problem as a penalty term. As a third method in this thesis a novel approach is proposed which employs the idea of state event detection and location and extends it to optimization. Once a state event is detected, the system is restarted in a new operation mode. Since the optimization is stopped and restarted at transition points, only problems involving continuous models with continuous state trajectories and gradients need to be solved. Therefore, the direct treatment of hybrid features is avoided and thus the complexity in the solution procedure can be significantly reduced.The functionality and effectivness of all three approaches are illustrated by relatively simple examples. Furthermore, the application to more complex problems with relevance for, e.g. process industries is presented.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und dem Test von Methoden zur Optimierung autonom schaltender dynamischer Hybridsysteme. Unter “Autonom schaltenden dynamischen Hybridsystemen” werden hier dynamische Systeme verstanden, bei denen gemäß definierten Schaltbedingungen zwischen verschiedenen diskreten Betriebsmodi umgeschaltet wird. Autonom schaltende dynamische Hybridsysteme sind von großer praktischer Relevanz, weil sie bei zahlreichen industriellen Prozessen (z. B. bei Anfahrprozessen oder Verdampfungsprozessen) auftreten. Die Optimierung solcher Prozesse zielt auf hohe Effizienz bei gleichzeitig steigenden Anforderungen an Umweltverträglichkeit und Sicherheit.Bei der Optimierung autonom schaltender dynamischer Hybridsysteme besteht die wissenschaftliche Herausforderung darin, die gemischt diskret-kontinuierlichen Optimierungsprobleme so zu formulieren, dass (i) die Lösungsmethode möglichst allgemein anwendbar ist und (ii) eine Lösung von hinreichender Genauigkeit mit?(iii) vertretbarem Rechenaufwand gefunden werden kann. Die besondere Schwierigkeit ist auf die Nichtglattheit oder sogar Unstetigkeit von Zustandstrajektorien oder deren Gradienten an den Umschaltpunkten zurückzuführen. Die in dieser Arbeit untersuchten Methoden zielen deshalb darauf ab, diese Unstetigkeiten aus den Optimierungsproblemen zu eliminieren. Dies geschieht in der vorgeschlagenen Glättungsmethode mittels der Approximation der das Umschalten beschreibenden Stufenfunktion durch eine Glättungsfunktion. Alternativ wird zur Glättung des Optimierungsproblems ein Strafverfahren verwendet. Hierbei wird zunächst ein Zweiebenenproblem definiert. Das innere Minimierungsproblem wird anschließend durch seine Optimalitätsbedingungen ersetzt und die darin auftretenden komplementären Beschränkungen gehen als Strafterme in die Zielfunktion des äußeren Optimierungsproblems ein.Der dritte methodische Ansatz verwendet die im Rahmen der Simulation dynamischer Hybridsysteme entwickelte Idee zum Anhalten und Neustarten der Integration an den Umschaltpunkten des Systems. Die im Rahmen einer Simulation dem autonomen Umschalten dienenden Schritte werden für Optimierungsprobleme analog realisiert. Dabei unterscheidet sich die konkrete Umsetzung vor allem bezüglich der Bestimmung der Schaltzeiten und des Festhaltens des aktuellen Betriebsmodus.Die Funktionsweise aller untersuchten Methoden wird durch kleine Fallbeispiele im Rahmen der Methodenentwicklung illustriert. Im Anschluss erfolgt jeweils die Anwendung auf komplexere Problemstellungen

Schaltzustandsoptimierung von 110-kV-Verteilnetzen zur Maximierung des Abtransports von Einspeisungen aus erneuerbaren Energiequellen

Die intensive Förderung regenerativer Erzeugungsanlagen hat in den vergangenen Jahren zu einem massiven Zubau im Bereich der 110-kV-Verteilnetzebene und der ihr unterlagerten Spannungsebenen geführt. In Zeiten hoher Einspeisung kommt es zunehmend zu einer Überschreitung der Netztransportkapazität und zu einer Gefährdung der Netzsicherheit. Als letzte Maßnahme zur Wahrung eines sicheren Netzbetriebs sind die Betreiber verpflichtet, die Einspeisung aus regenerativen Anlagen zu reduzieren. Durch dieses betriebliche Einspeisemanagement kommt es zum Verlust signifikanter Energiemengen. Das in dieser Arbeit vorgeschlagene erweiterte Engpassmanagementverfahren mit optimalen Topologiemaßnahmen erlaubt es sowohl die Anzahl als auch den Umfang von Einspeisemanagementmaßnahmen zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass für ein Bestandsnetz mehrere Netznormalschaltzustände existieren, die sowohl den maximalen Energieeintrag sicherstellen als auch einen verlustminimalen Netzbetrieb gewährleisten.The energy supply systems of the Federal Republic of Germany have been characterized by profound changes in the generation structure due to energy policy requirements. As a result of the targeted promotion of renewable generation units (RGUs), there was a massive expansion of regenerative generation output in the area of distribution grids, which continues to this day. In several regions the renewable generation capacity currently exceeds the common peak load of subordinated medium voltage (MV) grids significantly. Unfavorable feed-in situations can lead to overloads in the high voltage grid. In such cases the Distribution System Operator (DSO) has to reduce the feed-in from RGUs to preserve a secure system state. These operational interventions will further increase because the realization of grid reinforcement and expansion projects cannot keep up with the continuously increasing integration of new renewable power plants. In mainly meshed high-voltage (HV) and extra-high-voltage (EHV) grids, the adjustment of the topology to the expected feed-in and load situation can be a suitable means for congestion removal and for increasing the transport capacity. This thesis investigates which energy amount of renewable generation units can be additionally feed-in and transported through the optimization of the switching state of existing 110-kV distribution grids. In order to answer this research question, an expanded congestion management method is proposed, which takes into account the topological degrees of freedom and also includes further operational measures, e.g. feed-in management. To evaluate the grid operation state, the load flow calculation and (n-1) reliability calculation method is also integrated. In this thesis, a novel discrete particle swarm optimization algorithm is adapted to the optimal transmission switching problem to eliminate congestions. This algorithm was selected because of its applicability and robustness for this kind of optimization problem. In regards to shifting requirements for power system operation, it allows the definition of further optimization objectives. To reduce the number of decision variables of the optimization problem, a novel modeling method of standard bus couplers without busbar sectioning and universal bus couplers with busbar sectioning is introduced. This method, which implicitly takes into account local coupling constraints, allows a realistic mapping of all practical coupling options. The validation of the proposed method is carried out through exemplary case studies at two real medium-sized 110 kV network groups. The investigations are based on real feed-in and load-time series in quarter-hour resolution. The results show that the transmission capacity of the existing grid can be increased by optimizing the switching state. The exploitable maximization potential depends to a considerable extent on the network structures and the meshing degree of the distribution grid. Furthermore, it is demonstrated that it is possible to define over a period of one year several seasonal grid normal switching states, which maximize the feed-in of renewable generation units on the one hand or which minimize the grid losses on the other hand.Die elektrischen Energieversorgungsysteme der Bundesrepublik Deutschland sind seit Jahren aufgrund energiepolitischer Vorgaben durch Veränderungen der Erzeugungs-struktur geprägt. Infolge der gezielten Förderung regenerativer Erzeugungsanlagen kam es zu einem massiven Zubau regenerativer Erzeugungsleistung im Bereich der Verteilnetze, der sich bis heute fortsetzt. In einigen Regionen überschreitet die installierte regenerative Erzeugungskapazität bereits die Spitzenlast der unterlagerten Mittelspannungsnetze erheblich, so dass es in ungünstigen Einspeisesituationen zu Überlastungen im Hochspannungsnetz kommen kann. Um die Netz-sicherheit zu gewährleisten, sind die Verteilnetzbetreiber in diesen Situationen gezwungen die Einspeisung aus regenerativen Erzeugungsanlagen zu reduzieren. Diese betrieblichen Eingriffe werden weiter zunehmen, da die Umsetzung von Netzverstärkungs- und Ausbauprojekten nicht mit der kontinuierlich steigenden Integration neuer Erzeugungsanlagen Schritt halten kann. In den überwiegend vermascht betriebenen Hoch- und Höchstspannungsnetzen kann die Anpassung der Netztopologie an die zu erwartende Einspeise- und Lastsituation ein geeignetes Mittel zur Engpassbeseitigung und zur Erhöhung der Transportkapazität darstellen. Die vorliegende Arbeit widmet sich daher der Fragestellung, welche Energiemenge aus regenerativen Erzeugungsanlagen durch eine Schaltzustandsoptimierung bestehender 110-kV-Verteilnetze zusätzlich eingespeist werden kann. Für die Beantwortung der Fragestellung wird ein erweitertes Engpassmanagement-Verfahren vorgeschlagen, das neben den topologischen Freiheitsgraden auch weiteren betrieblichen Anpassungsmaßnahmen, wie z. B. das Einspeisemanagement berücksichtigt. Zur Bewertung des Netzbetriebszustandes erfolgt die Integration der aus der Netzsicherheitsrechnung bekannten Verfahren der Lastfluss- und (n-1)-Ausfallsimulation. In dieser Arbeit wird ein neuartiger, für diskrete Problemstellungen konzipierter Partikel-Schwarm-Optimierungsalgorithmus auf das vorliegende Problem der Schaltzustandsoptimierung zur Beseitigung von Engpässen adaptiert. Dieser Algorithmus hat sich als besonders robust für das vorliegende Optimierungsproblem erwiesen und gestattet auch im Hinblick auf die wechselnden Anforderungen der Netzbetriebsführung die Formulierung weiterer, beliebiger Optimierungsziele. Zur Reduzierung der Anzahl der diskreten Entscheidungsvariablen wird eine neuartige Modellierungsmethode für Quer- und Vollkupplungen vorgeschlagen. Diese Methode berücksichtigt implizit lokale Nebenbedingungen hinsichtlich der Verschaltung und erlaubt die realistische Abbildung aller praktisch umsetzbaren Kuppelmöglichkeiten. Die Validierung der vorgeschlagenen Methode erfolgt mit Hilfe numerischer Fallstudien unter Verwendung der stationären Netzberechnung an zwei realen, mittelgroßen 110-kV-Netzgruppen. Den Untersuchungen liegen reale Einspeise- und Lastzeitreihen in viertelstündlicher Auflösung zu Grunde. Die Ergebnisse zeigen, dass durch eine Schaltzustandsoptimierung des Bestandsnetzes dessen Übertragungskapazität gesteigert und die eingespeiste Energiemenge aus regenerativen Erzeugungsanlagen maximiert werden kann. Das ausschöpfbare Maximierungspotential ist dabei in erheblichem Maß von den Netzstrukturen und dem Vermaschungsgrad des Netzes abhängig. Weiterhin wird der Nachweis erbracht, dass die Definition von mehreren Netznormalschaltzuständen zur Maximierung der Einspeisung aus regenerativen Erzeugungsanlagen einerseits und zur Minimierung der Netzverluste andererseits über den Zeitraum eines Jahres möglich ist

Verfahren zur automatischen Optimierung von Ventil-Hook-Ups

Pneumatische Stellventile werden heutzutage wegen ihrer hohen Stellgeschwindigkeiten und wirtschaftlichen Effizienz in der Prozessindustrie immer noch häufig eingesetzt. Für eine hohe Regelgüte der Prozesse sind zufriedenstellende Stellverhalten der Stellventile Voraussetzung. Hierfür ist die Auslegung des Ventil-Hook-Ups von zentraler Bedeutung. Das Ventil-Hook-Up beschreibt die Auswahl und die Verschaltung der pneumatischen Anbaugeräte (u. a. Stellungsregler, Booster, Druckregler und Rohrverbindungen). In der vorliegenden Arbeit wird eine modellbasierte Systemoptimierung der pneumatischen Stellventilen vorgestellt. Hierzu wird vor allem ein Simulationsmodell entwickelt, welches das Stellverhalten eines Stellventils präzise simuliert. Auf dieser Basis erfolgt eine Systemoptimierung des Ventil-Hook-Ups mit den zwei heuristischen Verfahren, „Genetische Algorithmen“ und „Tabu-Suche“. Bei der Implementierung werden die beiden Verfahren problemspezifisch gestaltet und ggf. modifiziert, um die Effizienz der Optimierung zu erhöhen. Damit liegt die erzielte Lösung möglichst nahe am globalen Optimum. Im Hinblick auf die Qualität der erzielten Lösung und den dazu erforderlichen Ressourcenaufwand erweist sich die modifizierte Tabu-Suche als am besten geeignetes Verfahren. Zum Schluss wird die zusätzliche Frage behandelt, wie die Prozessströmung das Stellverhalten eines Stellventils beeinflusst und wie negative Strömungseinflüsse im Bedarfsfall verringert werden können

Anwendung des genetischen Algorithmus zur Lösung des iterierten Freiwilligendilemmas

Anwendung des genetischen Algorithmus nach Robert Axelrod (1987) auf das iterierte Freiwilligendilemma nach Andreas Diekmann (1985

Simultaneous Solution to Wind-Structure-Interaction

Ein simultanes Lösungsverfahren für Fluid-Struktur-Wechselwirkungen aus dem Bereich der Bauwerksaeroelastik wird vorgestellt. Die Modellierung der Tragwerksdynamik erfolgt mit der geometrisch nichtlinearen Elastizitätstheorie in total Lagrangescher Formulierung. Die Strömung wird mit den inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben, und wenn Turbulenzeffekte massgeblich sind, kommen die Reynolds-Gleichungen in Verbindung mit dem k-omega-Turbulenzmodell von Wilcox zum Einsatz. Die einheitliche Diskretisierung beider Felder mit der Raum-Zeit-Finite-Element-Methode führt zu einem konsistenten Berechnungsmodell für das gekoppelte System. Da die isoparametrischen Raum-Zeit-Elemente ihre Geometrie in Zeitrichtung ändern können, erlaubt die Methode eine natürliche Beschreibung des infolge Strukturbewegungen zeitveränderlichen Strömungsgebiets. Die gewichtete Integralformulierung der Kopplungsbedingungen mit globalen Freiwerten für die Randspannungen sichert eine konservative Kopplung von Fluid und Struktur. Beispielhafte Untersuchungen aeroelastischer Instabilitäten von Brückenquerschnitten und selbsterregter Flatterschwingungen von eigengewichtsvorgespannten Membranen belegen, dass die simultane Lösung des streng gekoppelten Systems zu einem effizienten Berechnungsverfahren mit hoher Konvergenz und Genauigkeit der numerischen Lösung führt.A simultaneous solution procedure for fluid-structure interaction problems in the area of building aeroelasticity is presented. The structural motion is described by a geometrically nonlinear theory for elastic deformation behavior using a total Lagrangian approach. The flow field is modeled by the incompressible Navier-Stokes equations, which will be Reynolds averaged, if turbulence effects are essential. In this case, the k-omega turbulence model of Wilcox is used. The space-time finite element method is applied to both continua leading to a consistent discretization of fluid and structure. Since isoparametric space-time elements are adaptable in time direction, the method implies a natural description of the time dependent fluid domain, which has moving boundaries as a result of structural deformations. In order to enforce momentum conservation between both continua, a weighted residual formulation of coupling conditions is introduced using boundary tractions as additional variables. Numerical investigations of aeroelastic instabilities of bridge deck cross sections and flutter phenomena of gravity prestressed membranes demonstrate efficiency and versatility of the numerical scheme, which ensures high convergence and accuracy due to the simultaneous solution of the strongly coupled system