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A. Schirrer:
"Predictive Control for Complex Distributed Systems and Hardware-in-the-Loop-Applications";
Technische Universität Wien, 2018.

This thesis presents research results on model-predictive control (MPC) tasks in two demanding application areas - smart systems and hardware-in-the-loop (HIL) applications. In these fields, significant requirements on control tasks appear: smart systems show a large, complex, and distributed system structure that the control concepts need to be able to handle efficiently. Contributions on predictive smart building temperature control, smart grid control, and on a cooperative fuzzy MPC architecture provide solutions to challenging control problems in the field, where predictive control principles (utilizing signal predictions, operating close to constraints) enable superior control performance. HIL applications, on the other hand, have significant realtime requirements due to short system time constants and high sampling rates. In the present thesis, an HIL testrig for railway pantograph current collector testing emulates the delicate distributed-parameter dynamics of a railway catenary and establishes a physically accurate coupling between the real pantograph and the virtual catenary. Several key developments need to be combined to construct a realtime-capable catenary model of high accuracy, and a novel MPC-based impedance control concept has been created to realize the HIL testing functionality. Key research questions in the topics above are formulated to structure the exposition. They are addressed and answered by 8 selected publications of the applicant. Their relation is outlined in the thesis. Then, the publications are reproduced with a listing of the applicant´s own contributions, followed by a compilation of further research work, dissemination and teaching activities.

Diese Arbeit präsentiert Forschungsergebnisse zur modellprädiktiven Regelung (MPC) in zwei anspruchsvollen Anwendungsbereichen - Smart Systems und Hardware-in-the-Loop (HIL) Anwendungen. In diesen Bereichen werden hohe Ansprüche an die Regelung gestellt: Smart Systems weisen eine große, komplexe und verteilte Systemstruktur auf, die von den Regelungskonzepten effizient bewältigt werden muss. Beiträge zu prädiktiver Temperaturregelung in intelligenten Gebäuden, Regelung intelligenter Netze ("smart grids") und zu einer kooperativen Fuzzy-MPC-Architektur bieten Lösungen für anspruchsvolle Regelungsprobleme in diesem Bereich, bei denen prädiktive Regelungsprinzipien (unter Verwendung von Signalvorhersagen, Betrieb nahe an Beschränkungen) eine hervorragende Regelungsleistung ermöglichen. HIL-Anwendungen hingegen haben aufgrund kurzer Systemzeitkonstanten und hoher Abtastraten erhebliche Echtzeitanforderungen. In der vorliegenden Arbeit emuliert ein HIL-Prüfstand für Stromabnehmerprüfungen von Bahnstromabnehmern die detaillierte, verteiltparametrische Dynamik einer Bahnoberleitung und stellt eine physikalisch korrekte, präzise Kopplung zwischen dem realen Stromabnehmer und der virtuellen Oberleitung her. Mehrere Schlüsselentwicklungen müssen dabei kombiniert werden, um ein echtzeitfähiges Oberleitungsmodell mit hoher Genauigkeit zu konstruieren. Zudem wurde ein neuartiges MPC-basiertes Impedanzregelungskonzept entwickelt, um die HIL-Testfunktionalität zu realisieren. Zur Strukturierung der Arbeit werden zentrale Forschungsfragen zu den oben genannten Themen formuliert. Sie werden von 8 ausgewählten Publikationen des Antragstellers adressiert und beantwortet. Ihre Beziehung zueinander wird in der Arbeit skizziert. Anschließend werden die Veröffentlichungen mit einer Auflistung der eigenen Beiträge des Antragstellers wiedergegeben, gefolgt von einer Zusammenstellung der weiteren Forschungs-, Disseminations- und Lehrtätigkeiten.

model predictive control, distributed parameter systems, hardware-in-the-loop test rig, smart systems