Modellbasierte Regelung hochdynamischer Verbrennungsvorgänge

• Model based control of highly dynamic combustion processes

Lammersen, Thomas; Abel, Dirk (Thesis advisor); Kohse-Höinghaus, Katharina (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Diese Arbeit entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 686 "Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperaturverbrennung" und befasst sich mit der Entwicklung eines modellbasierten prädiktiven Konzeptes zur Regelung von hochdynamischen Verbrennungsvorgängen. Das erarbeitete Konzept gliedert sich in drei Komponenten: Die Modellbildung, den Regelalgorithmus sowie eine echtzeitfähige Implementierung, die die Anwendung am realen System ermöglicht.Grundlage der Modellbildung in dieser Arbeit sind chemische Reaktionsmechanismen, die eine Berechnung von Reaktionsraten und damit Bildung und Verbrauch der beteiligten Edukte, Produkte und Intermediate erlauben. Die Bilanzierung von Masse, Konzentrationen und Energie führt zu einem nichtlinearen Zustandsraummodell des Verbrennungssystems.Dieses Modell wurde anschließend in verschiedenen linearen und nichtlinearen modellbasierten prädiktiven Ansätzen verwendet, um in der Simulation instabile Verbrennungsprozesse zu stabilisieren und am gewünschten Arbeitspunkt zu halten.Für den Einsatz am realen System wurden aufgrund der hohen Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit ein chemisch-kinetisches Berechnungsmodul, die Ableitungsberechnung sowie der Löser für das Zustandsraummodell neu entwickelt bzw. implementiert. Durch den Einsatz eines Differentialgleichungslösers mit Schrittweitensteuerung konnte letztendlich die Echtzeitfähigkeit des Regelsystems trotz der verhältnismäßig umfangreichen Berechnungen erreicht werden.Das implementierte Regelungskonzept wurde anschließend an einem homogenen Rührreaktor des Institutes für Technische Verbrennung (ITV) der RWTH Aachen erfolgreich zur Unterdrückung von Verbrennungsinstabilitäten eingesetzt.