Title: Design and implementation of a model predictive controller for a small-scale biomass combustion furnace
Other Titles: Entwurf und Implementierung eines modellprädiktiven Reglers für eine kleine Biomasse-Feuerung
Language: English
Authors: Fallmann, Markus 
Qualification level: Diploma
Advisor: Kozek, Martin 
Assisting Advisor: Böhler, Lukas 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 66
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Obwohl Kleinfeuerungsanlagen stärkeren Schwankungen des Wärmebedarfs unterliegenals dies für Großanlagen der Fall ist, liegt das Hauptaugenmerk klassischer Ansätzeder Verbrennungsregelung auf der Handhabung stationärer Zustände. WirtschaftlicheAspekte sowie gesetzliche Emissionsbeschränkungen und die Anforderung nach immerhöheren Wirkungsgraden verlangen nach einem fortschrittlichen Regelalgorithmus, derneben der Berücksichtigung transienter Vorgänge gleichzeitig kostengünstig in Implementierungund Wartung ist. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Regelungeiner Kleinfeuerungsanlage zur Verbrennung von Biomasse. Dabei kommt eine Reglerstrukturbestehend aus einem linearen, modellprädiktiven Regelalgorithmus und einemZustandsschätzer zum Einsatz. Die Aufgabe liegt darin, den gesamten Leistungsbereichdes zu untersuchenden Ofens lediglich mit einem solch simplen Ansatz zufriedenstellendabzudecken. Eine Grey-Box-Modellierung des nichtlinearen Ofens bildet die Basisfür die Reglerauslegung und die Bestimmung eines optimalen Linearisierungspunktes,wobei zur Bewertung der Optimalität eine passende Abstands-Metrik verwendet wird.Da Kohlenstoffmonoxid einen wichtigen Indikator zur Beschreibung der Verbrennungsgütedarstellt, ist eine Minimierung dieses Schadstoffes von großem Interesse. Aufgrunddes hochgradig nichtlinearen Oxidationsprozesses ist die direkte Regelung dieser Größemit einem linearen Ansatz nur beschränkt realisierbar. Zur Regelung der Verbrennungsgütewird die Sauerstoffkonzentration als Regelgröße herangezogen. Dabei wirdzusätzlich ein unteres Limit dieser Größe in der Formulierung des Regelalgorithmus implementiert,um hohe Schadstoffbildung infolge ausgeprägten Sauerstoffmangels zu verhindern.Die Performance des geschlossenen Regelkreises wird anhand experimentellerUntersuchungen für die Verbrennung verschiedener biogener Brennstoffe gezeigt, wobeisowohl im Stationärbetrieb als auch in den Übergangsphasen ein zufriedenstellendesErgebnis erreicht wird. Da Brennstoffparameter explizit in der Formulierung des Ofen-Modells berücksichtigt werden, eröffnet sich eine einfache und zugleich kostengünstigeMöglichkeit, Brennstoffwechsel durch simple Umparametrierung des Modells zu realisieren.Experimentelle Versuchsergebnisse verdeutlichen die Wichtigkeit der gewähltenSauerstoffreferenz im Hinblick auf die Qualität der Verbrennung. Aus der Literaturwird ein einfaches Modell der Kohlenstoffdioxid-Entstehung herangezogen, an den zuuntersuchenden Ofen angepasst und schließlich zur Vorgabe passender Referenzwerteder Sauerstoffkonzentration verwendet. Der optimale Charakter dieser systematischenFestlegung wird mittels Simulation bestätigt.

Although small-scale furnaces are subject to stronger fluctuations in heat demand comparedto larger facilities, widely used control strategies most often only consider steadystate operation. Economic aspects, emission regulations, and the steadily increasingneed for higher efficiency call for a versatile control algorithm taking transient operationinto account while being cost-efficient in implementation and maintenance. Thiswork introduces an optimized control architecture, comprising a simple linear modelpredictive controller and a state estimation, in order to cover the whole operating rangeof an investigated small-scale biomass furnace. A grey-box model of the plant providesa basis for controller design as well as for determination of an appropriate linearizationpoint by utilizing a gap metric. Among all pollutants, resulting from (incomplete)combustion, carbon monoxide is of particular importance, as its occurrence stronglyindicates sub-par efficiency. However, the highly non-linear oxidation process impedesdirect controlling of carbon monoxide by means of a simple linear approach. Therefore,the oxygen concentration in the flue gas is used as the emission-related control variable.Additionally, input and oxygen constraints are implemented to account for saturationof control variables and to prevent incomplete combustion, respectively. Experimentalclosed-loop results are presented for the combustion of different solid biofuels andindicate satisfying control performance not only in steady state but also in transientoperation. Based on the introduced furnace model, which incorporates fuel-related parametersin an explicit manner, a simple and cost-efficient procedure for fuel switchesis outlined. Since the highly influential role of the applied oxygen reference on carbonmonoxide formation is significant in experimental results, a formation model from literatureis used in an adapted formulation to provide emission-optimized reference values.Closed-loop simulation results confirm an overall improvement based on systematicallypicked oxygen references. The introduced overall control structure keeps complexitylow and simultaneously offers a wide variety of possibilities yielding increased controlperformance along with minimized emission formation.
Keywords: MPC; Biomassefeuerung; CO-Minimierung
MPC; bimass combustion; CO-minimization
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.79302
http://hdl.handle.net/20.500.12708/15114
DOI: 10.34726/hss.2020.79302
Library ID: AC15679476
Organisation: E325 - Institut für Mechanik und Mechatronik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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