Moderne Regelstrategien für Gasmotoren

Abstract

Die Gasmotoren für Stationäranwendungen der Firma GE Jenbacher sind ein innovatives Produkt in Hinblick auf Ressourcenverwertung und Umweltfreundlichkeit. Zum einen wächst der Markt für Motoren, die abseits der Stromversorgung elektrische Energie liefern, zum anderen wird die Energiegewinnung aus Abfallprodukten, wie Bio- oder Klärgasen immer attraktiver.<br />Um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten, müssen vor allem die Rentabiliät und die Regelgüte laufend verbessert werden. Die Dynamik des Gasmotors ist über seinen Leistungsbereich stark nichtlinear. Das liegt vor allem am Turbolader, der erst in höheren Leistungsbereichen die Motorleistung steigert. Da er abgasgetrieben ist, werden zusätzliche Rückkopplungseffekte wirksam.<br />Der Gasmotor wird mittels zweier Stellglieder, die Drosselklappe und das Umblaseventil des Turboladers, geregelt. Die herkömmliche Regelung sieht jeweils einen PID Regler vor, dessen Parameter von der Leistung abhängen. Die Aktuatoren werden gesteuert umgeschalten, um zu vermeiden, dass sie sich durch ihre Wechselwirkung gegenseitig destabilisieren.<br />In dieser Arbeit werden einerseits Möglichkeiten vorgestellt, die Regelgüte durch zusätzliche Signale, wie den Ladedruck mittels Kaskadenregelung zu steigern. Die Ausregelzeit und Überschwingweite können um 10 % verringert werden, weshalb der Motor ohne bauliche Änderungen eine höhere Klasse erreicht. Gleichzeitig wird der Einstellprozess vereinfacht, weil die Anzahl der Reglerparameter um den Faktor 10 verringert werden kann. Andererseits werden neue Wege vorgeschlagen, um die zwei Aktuatoren optimal miteinander zu verwenden.<br />Dies fordert einen optimierten Reglerentwurf, der wiederum auf ein linearisiertes Modell und einen Beobachter basiert. In Simulationen bringt dies weitere Verbesserungen der Regelgüte in Hinblick auf Ausreglezeit und Überschwingweite.<br />Die Theorie des modellbasierten Kalmanfilters und LQG Reglers wird am Gasmotor angewandt und bis zum Prüfstand umgesetzt. Dazu wird ein Zustandsraummodell des Gasmotors erstellt, das auch linearisiert werden kann. Basierend auf den Erkenntnissen dieser Arbeit können einerseits weitere Stellsignale, wie zum Beispiel die Gaskonzentration in die optimale Regelung eingebunden werden. Andererseits kann durch die Systembeobachtung der Zustand des Motors bewertet und Sensorsignale auf Plausibilität geprüft werden.

The gas engines for stationary applications of the manufacturer GE Jenbacher are an innovative product concerning the use of ressources and environment. On the one hand, the market for gas engines, that produce electric energy as stand alone systems, grows fast and on the other hand, producing energy from waste products like biological gas gets more attractive.<br />To maintain the competitive advantage, the gas engines must be improved with respect to reliabilty and control performance. The dynamics of a gas engine varies strongly over its power range. The turbocharger boosts the mixture pressure at higher power loads and causes additional feedback effects, because it is exhaust-gas driven. The gas engines are controlled by the throttle valve and the recirculation valve of the turbocharger. They are actuated by a PID controller each, whose parameters vary with the power output.<br />The actuators are switched feed forward to avoid instability due to interactions.<br />On the one hand, possibilities are presented to improve the control performance by using the boost pressure as an additional measurement signal (cascade control). The control duration and the overshoot can be reduced up to 10 %, therefore the gas engines can be sold at a higher class. Also, the adjustment of the controller parameters becomes even easier, the number of controller parameters are reduced by a factor of 10. On the other hand, new methods of controlling the engine by the simultanous use of the two actuators are shown. The optimal control is based on a state feedback controller, which implies an observer and a linear model of the engine. In simulations the control performance can be improved.<br />The theory of the model based Kalmanfilter and the LQG controller is implemented at the gas engine from the scratch to the test bed. The necessary state space model, that can be linearised, is derived. Based on the experiences obtained in this work, additional actuators like the gas concentration can be used. Furthermore the observation of the systems allows to test sensors plausiblity.