 | Kock F. Steuerung und Regelung des Freikolbenlineargenerators - Entwicklungsmethode und Regelungskonzept für den Betrieb eines neuartigen Energiewandlers: Diss. … Dr.-Ing. / Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart. - Köln: DLR, 2015. - XIII, 227 S.: Ill., tab. - (Forschungsbericht; 2015-03). - Res. auch engl. - Literaturverz.: S.219-227. - ISSN 1434-8454
|
Vorwort ....................................................... iii
Formelzeichen .................................................. ix
Kurzzusammenfassung / Abstract ................................. xv
1 Einleitung ................................................... 1
1.1 Motivation .............................................. 1
1.2 Ziel der Arbeit ......................................... 3
1.3 Aufbau der Arbeit ....................................... 4
2 Stand der Technik ............................................ 5
2.1 Freikolbenkonzepte ...................................... 5
2.1.1 Übersicht und Systematisierung ................... 5
2.1.2 Freikolbenmotoren mit elektrischer
Energieauskopplung ............................... 6
2.1.3 Potenziale und Herausforderungen ................ 12
2.2 Entwicklung des Freikolbenlineargenerators im DLR ...... 15
2.2.1 Aufbauvarianten und Funktionsweise .............. 15
2.2.2 Entwicklungsmethode im DLR ...................... 16
2.3 Methoden der Regelungstechnik .......................... 21
2.3.1 Einfache Regelkreisstruktur ..................... 22
2.3.2 Erweiterte Regelkreisstrukturen ................. 23
2.3.3 Mehrgrößenregelkreis ............................ 30
2.3.4 Digitale Regelung ............................... 31
2.3.5 Eigenschaften von Systemen und Regelkreisen ..... 32
2.4 Steuerung und Regelung von Freikolbenmaschinen ......... 35
2.4.1 Herausforderungen ............................... 35
2.4.2 Bestehende Forschungsarbeiten ................... 37
3 Methode zur Entwicklung der Steuerung und Regelung für
einen Freikolbenmotor ....................................... 41
3.1 Reglerentwicklung im Kontext der
Gesamtsystementwicklung ................................ 41
3.2 Anforderungen an das Reglersystem ...................... 43
3.3 Entwicklung und Auswahl der Steuerungs- und
Regelungsalgorithmen ................................... 47
3.4 Systemmodell und -simulation ........................... 51
3.4.1 Simulationsumgebung und Rapid Control
Prototyping ..................................... 51
3.4.2 Systemmodell des Freikolbenlineargenerators ..... 52
3.5 Versuchsträger für experimentelle Untersuchungen ....... 60
3.5.1 Versuchsträger der Subsysteme ................... 60
3.5.2 Entwicklungssysteme ............................. 62
3.5.3 Gesamtsystem mit verbrennungsmotorischer
Energiezufuhr ................................... 65
3.5.4 Inbetriebnahme mittels Positionsregelung und
virtueller Verbrennung .......................... 67
3.5.5 Messtechnik und Messdatenerfassung .............. 71
3.6 Betriebssicherheit und Stabilität ...................... 72
3.6.1 Betriebssicherheit von Freikolbenmotoren ........ 72
3.6.2 Stabilität des entwickelten Regelkreises ........ 73
3.6.3 Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse
(FMEA) .......................................... 74
3.7 Zusammenfassung ........................................ 76
4 Steuerungs- und Regelungsalgorithmen für den
Freikolbenlineargenerator als Ergebnis der Anwendung der
Entwicklungsmethode ......................................... 77
4.1 Hierarchische Reglerstruktur ........................... 77
4.2 Kinematische und energetische Rechengrößen am
Freikolbensystem ....................................... 80
4.3 Subsystemregelungen .................................... 84
4.3.1 Regelung des Subsystems Verbrennung ............. 85
4.3.2 Regelung des Subsystems Lineargenerator ......... 87
4.3.3 Regelung des Subsystems Gasfeder ................ 88
4.4 Regelung der Kolbenbewegung ............................ 90
4.4.1 Aufgaben und Varianten im überblick ............. 90
4.4.2 Trajektorienregelung ............................ 92
4.4.3 Totpunktregelung zentral und dezentral
kraftbasiert .................................... 95
4.4.4 Totpunktregelung dezentral druck-und
kraftbasiert ................................... 100
4.4.5 Totpunktregelung zentral druck- und
kraftbasiert ................................... 101
4.4.6 Totpunktregelung durch Energieprädiktion ....... 105
4.4.7 Totpunktregelung durch Totpunktprädiktion ...... 110
4.4.8 Bewertung und Auswahl .......................... 112
4.5 Betriebspunktregelung ................................. 115
4.6 Besonderheiten bei der Implementierung ................ 118
4.7 Zusammenfassung ....................................... 120
5 Ergebnisse der Systemsimulation ............................ 123
5.1 Simulation des Anfahrens und Abschaltens .............. 124
5.2 Verfahren zur Online-Systemidentifikation ............. 129
5.2.1 Unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung des
Polytropenexponenten ........................... 131
5.2.2 Auswirkungen der Identifikationsverfahren im
Systemkontext .................................. 134
5.3 Simulation von Fehlerszenarien ........................ 136
5.3.1 Ausfall der verbrennungsmotorischen
Wärmezufuhr .................................... 137
5.3.2 Ausfall eines Ladungswechselorgans ............. 139
5.3.3 Ausfall des Lineargenerators ................... 139
5.4 Zusammenfassung, Bewertung und Auswahl ................ 143
5.5 Ausblick und Potenzialabschätzung ..................... 144
6 Ergebnisse der Messungen an den Teil- und
Entwicklungssystemen ....................................... 149
6.1 Experimentelle Untersuchung des Teilsystems
Verbrennung ........................................... 150
6.1.1 Dynamisches und stationäres Folgeverhalten
des Teilsystems Verbrennung .................... 150
6.1.2 Untersuchungen zum Startverhalten des
Teilsystems Verbrennung ........................ 152
6.2 Experimentelle Untersuchung des Teilsystems
Lineargenerator ....................................... 156
6.2.1 Dynamisches Folgeverhalten des Teilsystems
Lineargenerator ................................ 156
6.2.2 Linearität und Parameterabhängigkeiten
des Stellglieds Lineargenerator ................ 158
6.3 Experimentelle Untersuchung des Teilsystems Gasfeder .. 160
6.3.1 Statische Linearität des Stellglieds
Gasfeder ....................................... 160
6.3.2 Dynamisches Folgeverhalten der Gasfeder-
Befüllstrecke .................................. 161
6.4 Entwicklungssysteme mit linearmotorischer
Energiezufuhr ......................................... 165
6.4.1 Inbetriebnahme der frei schwingenden Systeme ... 165
6.4.2 Ermittlung und Bewertung der Verkopplungen im
Mehrgrößensystem .................... 167
6.4.3 Dynamisches und stationäres Folgeverhalten
der Regelung der Kolbenbewegung ................ 173
6.5 Zusammenfassung ....................................... 178
7 Ergebnisse der Messungen am autarken Gesamtsystem .......... 181
7.1 Übersicht über das Gesamtsystem und die
Gesamtsystemregelung .................................. 182
7.2 Anfahren des Gesamtsystems ............................ 182
7.3 Abstimmung exemplarischer Betriebspunkte .............. 186
7.4 Stationärer Betrieb des Gesamtsystems ................. 189
7.4.1 Regelgüte der Gesamtsystemregelung ............. 189
7.4.2 Leistungen und Wirkungsgradkette ............... 192
7.4.3 Variation von Betriebsparametern ............... 194
7.5 Instationärer Betrieb des Gesamtsystems ............... 197
7.5.1 Betriebspunktwechsel ........................... 197
7.5.2 Betrieb mit Zündaussetzern ..................... 203
7.6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Validierung der
Entwicklungsmethode ................................... 206
8 Zusammenfassung und Ausblick ............................... 209
A Anhang ................................................... 213
A.1 Fehlerbaumanalyse ..................................... 214
A.2 Liste der Überwachungsalgorithmen ..................... 216
Literatur .................................................. 227
Lebenslauf ................................................. 229
|
|
