Observer design for the pressure and volume flow of long pressurized pipelines

Abstract

Diese Arbeit behandelt den Beobachterentwurf für das hydraulische System eines Pumpspeicherkraftwerks. Unter Verwendung der so genannten Spektralen Elemente Methode zur örtlichen Diskretisierung der beschreibenden partiellen Differentialgleichungen wird die optimale Sensorpositionierung in einem System bestehend aus einer einzigen Rohrleitung und einem System bestehend aus drei gekoppelten Rohrleitungen bestimmt. Für die optimale Sensorpositionierung am Rand beider Systeme werden Early und Late Lumping basierte Beobachterentwürfe untersucht und mittels Simulation validiert. Während der Early Lumping Ansatz, basierend auf dem Entwurf eines Extended Kalman Filters, direkt und ohne größere Schwierigkeiten implementiert werden kann, zeigt sich, dass die gegebenen Parameterwerte zusammen mit der Forderung nach einer möglichst effizienten Implementierung den Late Lumping Entwurf auf Beobachterstrukturen mit Randkorrektur einschränken. Abschließend wird noch der Einfluss von nicht exakt bekannten Parameterwerten auf die entworfenen Beobachter untersucht. Es zeigt sich, dass es wichtig ist die Wellengeschwindigkeit in den Rohrleitungen möglichst genau zu kennen um brauchbare Schätzungen für den Druck und den Durchfluss in den Rohrleitungen zu erhalten. Außerdem werden online Parameterschätzer auf Basis the Extended Kalman Filters implementiert um die Beobachtungsfehler aufgrund der Parameterunsicherheiten zu reduzieren.

This thesis deals with the observer design for the hydraulic system of a pumped-storage power plant. Using the so called spectral element method as efficient way to spatially discretize the describing partial differential equations, the optimal sensor locations for a single pipe and for a system of three coupled pipes are determined. Based on the optimal sensor positioning, given at the boundaries of both systems, early and late lumping based observer designs are pursued and validated via simulation. While the early lumping approach, utilizing an extended Kalman filter, can be implemented straightforward, it is shown that the given parameter values together with the demand for a computationally efficient implementation restrict the late lumping approach to an observer structures with boundary correction. Concluding this thesis, the influence of uncertain parameter values on the observer performance is examined. It is shown that accurate values for the wave velocity within the pipes are crucial to obtain good estimations of the pressures and volumetric flows in the system. Furthermore, online parameter estimators based on the extended Kalman filter are implemented to reduce the estimation errors due to the uncertain parameter values.