echtzeitsimulation einer gasturbine real-time-simulation of a gas-turbine till hoffmann...
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Echtzeitsimulation einer Gasturbine
Real-Time-Simulation of a Gas-Turbine
Till Hoffmann
-Diplomarbeit -
September 2000
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?Wozu Simulation
• Umstellung der vorhandenen Gasturbinenregelung von dem mechanischen Regler auf eine ECB
• Keine Erfahrungen mit dieser Kombination vorhanden
• Unter Berücksichtigung von Alter und Ersatzteilversorgung der Turbine kein Trial and Error Verfahren erstrebenswert
Reglerauslegung an einem Modell der Turbine
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Reglerauslegung an der Simulation
• Bekanntes Verfahren aus der Automobilindustrie: Rapid Controller Prototyping
• Entwickelt zur schnellen und ungefährlichen Auslegung von Reglern mit Hilfe von Simulationen
Neu: Übertragen des RCP auf die Auslegung des Reglers der Turbine
• Entwicklungsprozess in drei Punkte gegliedert
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Entwicklungsprozess
Regel-algorithmus
Modell derGasturbine
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
ECBModell derGasturbine(auf DSP)
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
ECB
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
Gasturbine
Off-line Simulation
Test an der realen Turbine
Hardware-in-the-Loop Betrieb
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Ziel dieser Arbeit
•Erstellen eines Modells der Turbine zur Off-line Simulation•Verifizierung des Modells anhand der Versuchsdaten•Überprüfen des Modells auf Echtzeitfähigkeit
Regel-algorithmus
Modell derGasturbine
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
ECBModell derGasturbine(auf DSP)
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
ECB
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
Gasturbine
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Arbeitsschritte
• Literaturbeschaffung • Datenbeschaffung und –konvertierung aus
Versuchen an der Turbine• Einarbeitung in Theorie und Werkzeuge • Entwicklung eines mechanischen Modells zur
schnellen Bestimmung erster Reglerparameter• Entwicklung von Modellen des Kraftstoffventils
und der Kinematik• Entwicklung eines thermodynamischen Modells
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Thermodynamisches Modell
1. Aufstellen eines allgemeinen Simulationsalgorithmus aus der Theorie
2. Ermittlung turbinenspezifischer Parameter aus Versuchsdaten
3. Aufstellen des Programms (S-Functions)4. Verifizierung des Modells5. Off-line Simulation6. Übertragen auf den DSP und Überprüfen auf
Echtzeitfähigkeit
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Aufstellen eines allgemeinen
Simulationsalgorithmus • Erkennen der thermodynamischen
Zusammenhänge• Aufstellen eines Grundgerüstes der Simulation• Allgemeines Modell für diese Turbinenart
Beisp.: Druckverhältnis abhängig von der Drehzahl
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Abgleich auf die vorhandene Turbine
• Ermitteln der turbinenspezifischen Daten:
• Aufarbeitung in eine programmtechnisch umsetzbare Form:
1*10*736.8*10*872.2*10*125.8 42639 nnnV
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Aufstellen des Programms
• Umsetzung der Zusammenhänge in Programmcode
m
Gl.6.4
Gl. 5.10
Gl. 5.27Gl. 6.8
Gl. 6.6
Gl. 5.19
Gl 6.7
Gl. 5.15
Stoffwerte
Gl. 5.20Stoffwerte
Brennkammer
Stoffwerte
Gl. 5.31
Gl. 5.32 Gl. 5.33
T 1
pi V
p1
p2
eta iVV
n
p3
T Bp4 m B
P iV
T 2
T 3T
T 4
P iTP N
Gl. 3.3
M G
Gl. 3.4M B
M Beschl.
Gl. 3.5
Gl. 3.6
phi
phi•
••
phi
•
•
Gl. 3.7
n
Gl. 6.19M R
TurbineVerdichter
externintern
Legende
T 4
Gl. 5.22
•
Stoffwerte
n
Dynamik
Ablaufplan des Algorithmus
Gl 6.10
Gl. 6.13
m BK•
T 3
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Aufstellen des Programms
• Verwendung von S-Functions– Geschwindigkeit– Anpassungsfähigkeit– Kompatibilität
• Einarbeitung • Programmierung in C• Tests zur Funktionalität und Implementierung
von Fehlerabfragen
• Umsetzung der Zusammenhänge in Programmcode
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Verifizierung des Modells
• Unter Zuhilfenahme von Versuchsdaten
• Anhand von mehreren Versuchen
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Off-line Simulation
• Erstellen eines vollständigen Modells unter Simulink
– Modell der Turbine– Modell der Kinematik– Modell des Anlassers– Modell des Kraftstoffventils
Simulation der für die ECB notwendigen Parameter
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Übertragen auf den DSP
• Kompilierung des Modells in Code für den DSP
Simulink-Modell
C-CodeReal-Time-
InterfaceReal-Time-Interpreter DSP
• Aufstellen einer Bedienoberfläche unter dem Control Desk
• Überprüfen des Modells auf Echtzeitfähigkeit
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Oberfläche des Control Desks
• Steuerung aller wichtiger Parameter
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Zusammenfassung
• Bestehendes Modell simuliert off-line alle wichtigen Zustände der Turbine
Regel-algorithmus
Modell derGasturbine
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
ECBModell derGasturbine(auf DSP)
Stellsignale für Regelkreise
Regelgrößen
• Implementiert auf DSP• Läuft in Echtzeit
Grundvoraussetzungen für Hardware-in-the-LoopBetrieb geschaffen