Optimierung der Drehzahlregelung von Gasmotoren durch innovative Regelungskonzepte - Eine Machbarkeitsstudie

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der Drehzahlregelung von Gasmotoren unter den besonderen Einsatzbedingungen des Netzersatzbetriebes bzw. Inselbetriebes. Die Motivation resultiert aus dem Vorhaben, zukünftig Dieselmotoren, welche in dieser Anwendung dominieren, wegen ihrer höheren Emissionsbelastungen durch Gasmotoren zu ersetzen. Das Ziel der Optimierung soll daher sein, die Drehzahlregelung des Motors durch rein regelungstechnische Maßnahmen zu verbessern und auf ein höheres Niveau zu bringen. Dafür wurden neuartige Regelungskonzepte erarbeitet und vorgestellt. Basierend auf einem Modell des Gasmotors werden die Methoden des H-infinity-Entwurfes und der mu-Synthese zum Entwurf robuster Regler präsentiert, welche an die spezifischen Anforderungen der Drehzahlregelung des Motors angepasst sind. Dies wird für den Fall der konventionell zwei eingesetzten Stellgrößen Drosselklappe und Umblaseventil demonstriert, genauso für den Fall der Verwendung der Luftzahl als dritte Stellgröße. Es wird dabei auch eine Vorgangsweise zur Beschreibung und Parametrierung von Modellunsicherheiten angegeben, welche in den Reglerentwürfen als Entwurfsparameter einfließen. Ein einfaches Verfahren zur Lösung des Windup-Problems und damit Verbesserung der Drehzahlregelung wird ebenfalls gezeigt. Zusätzlich zu den robusten Reglern werden auch nicht modellbasierte Fuzzy-Regler für die Regelung der Motordrehzahl vorgestellt. Diese wurden im Sinne eines Expertensystems konzipiert und sollten für motorenkundige Personen ein übersichtliches Werkzeug zur Drehzahlregelung des Motors sein. Neben einer kurzen theoretischen Einführung und der Beschreibung der grundsätzliche Vorgangsweise zur Synthese von Fuzzy-Reglern für das vorliegende Problem der Drehzahlregelung wird dabei insbesondere die Anpassungsfähigkeit und Flexibilität dieser Regelung hervorgehoben. Anhand des beispielhaften Entwurfs einiger ausgewählter Regler wird diese Anpassungsfähigkeit und Flexibilität anschaulich demonstriert. Dabei erweist sich die Fuzzy-Regelung als besonders gut geeignet, um komplexe und umfangreiche Regelungsaufgaben in Form von multivariablen Reglern praktisch umzusetzten. Die erzielten Ergebnisse konnten mittels eines nichtlinearen Motormodelles in Simulationen analysiert und validiert werden. Eine weitere wesentliche Anforderung an die vorgestellten Methoden war die Anwendbarkeit am realen Motor, das Verbesserunspotential der neuen Methoden soll mittelfristig bis langfristig am Serienmotor umgesetzt werden können. Bei Prüfstandsversuchen unter realen Bedingungen konnten die präsentierten Methoden zur Regelung der Drehzahl auch realisiert werden, wobei eine ansprechende Performance erreicht wurde.<br />

This work concerns the optimization of the operating performance of natural gas engines operated as independent power supply station or in island mode. The motivation results from the ambition to replace diesel engines, which dominate in this field of application but have higher emissions. Therefore, the aim of the optimization is to improve the engine speed control of the natural gas engines and to increase the performance level. New control concepts are proposed and introduced for this reason. Based on an engine model, methods for the design of robust H-infinity-controllers and mu-synthesis-controllers for this application are presented. These Methods are adapted to the specific requirements of the engine speed control. This is done for the conventional case of two control inputs using the throttle valve and recirculation valve, and also for the case where the air ratio is used as third control input. Furthermore, a procedure to determine model uncertainties, which is required for the controller design, is presented. Also an simple anti windup procedure is given for performance improvement. Furthermore, a non-model based Fuzzy-control scheme for the engine speed control ist introduced. This concept is realized in terms of an expert system and should give persons who are specialized on engines but not necessarily on control a useful tool for the engine speed control. A short theoretical background is given, also the procedure of the synthesis of a Fuzzy-controller for the given problem of engine speed control and particularly the feasibility of adapting the controller to various needs is presented. This is done by giving some examples of modifications of the Fuzzy-controller. Thereby, the concept of Fuzzy-control proves to be well suited for the realization of complex control schemes. All obtained results were analyzed and validated via a nonlinear engine simulation model. A further essential demand was the possibility to implement the introduced concepts on the real engine, since the aim is to improve the performance of the series engine in long terms. In test bench runs all concepts could be converted to the real natural gas engine with proper performance in the control of the engine speed.