Verbrennungsregelung an einem homogenen Ruhrreaktor mittels stuckweise-linearem Modell und Nichtlinearer Modellpradiktiver Regelung

摘要

Da Schadstoffemissionen und deren Reduktion eine immer hohere Bedeutung eingeraumt wird, ist die Emissionsreduzierung bei Verbrennungsprozessen ein ausserst wichtiges Forschungsfeld. Hierbei hat sich die homogene Niedertemperatur-Verbrennung als eine vielversprechende Moglichkeit besonders zur Reduzierung von CO und Russ erwiesen. Dabei ist die Reaktionskinetik im Niedertemperaturbereich (unter 1300°K) noch weitgehend unbekannt und muss fur ein besseres Verstandnis grundlegend erforscht werden. Ein Grund fur die Notwendigkeit eines besseren Prozessverstandnisses ist die Neigung der homogenen Niedertemperatur-Verbrennung unstetig abzulaufen. Wegen der Vormischung von Brennstoff und Oxidationsmittel entfallt der Mischungsgradient und damit die Diffusion als stabilisierendes Element innerhalb des Verbrennungsprozesses. Dies hat zur Folge, dass die homogene Niedertemperatur-Verbrennung zu Instabilitat neigt. Die Folgen sind zum einen thermoakustische Instabilitaten, wie sie z.B. bei Gasturbinen auftreten, aber auch ungewollte Selbstzundungen bei CAI/HCCI Verfahren der motorischen Verbrennung. Um die uberlegenen Emissionseigenschaften der homogenen Niedertemperatur-Verbrennung ausnutzen zu konnen, mussen diese Instabilitaten vermieden werden. Eine Moglichkeit hierzu bietet die Regelungstechnik, die durch aktive Massnahmen den Verbrennungsprozess so beeinflusst, dass er kontrolliert bzw. stabil ablauft. Da fur den Einsatz von Regelungskonzepten ein relativ prazises Systemverstandnis notwendig ist, ist es naheliegend, zuerst den elementaren Verbrennungsprozess zu analysieren und daraus erste Regelungskonzepte abzuleiten und diese dann auf die entsprechenden Anwendungsgebiete zu ubertragen. Hierzu wurde der Verbrennungsprozess in einem homogenen Ruhrreaktor modelliert und simuliert (siehe Abbildung 1). Der homogene Ruhrreaktor ermoglicht die Analyse der reinen Verbrennungskinetik, da sonstige Einflusse vermieden werden. Um das System zu regeln, wird das Regelungskonzept der Modellpradiktiven Regelung (MPR) verwendet. Dabei wird der Stelleingriff anhand eines Prozessmodells mittels Optimierung und Messungen fortlaufend berechnet. Da die Berechnung des aktuellen Stelleingriffs online ablauft, ist die Optimierung zeitkritisch. Die Modellierung der Reaktionskinetik ist ausserst komplex und folglich auch das Prozessmodell. Um die Rechenzeit zu reduzieren, ist eine Modellreduktion unumganglich. Dabei wird ein reduziertes Modell ermittelt, welches das Eingangs-Ausgangsverhalten beibehalt, aber eine niedrigere Ordnung hat. Im vorliegenden Fall wurde ein Ansatz mit einem stuckweise linearen Modell (engl. Trajectory Piecewise Linear Approach) nach [1] gewahlt. Die enthaltenen linearen Modelle lassen sich separat mit linearen Reduktionstechniken reduzieren und zu einem einzigen nichtlinearen Modell fusionieren. Im Anschluss wurde dieses Modell innerhalb einer nichtlinearen Optimierung verwendet, um das System in der Simulation zu stabilisieren. Als Optimierungsalgorithmus wurde ein SQPAnsatz eingesetzt. Ziel war es, die Validitat des reduzierten Modells innerhalb eines MPRFrameworks zu verifizieren, sprich das Regelziel unter Verwendung des reduzierten Modells zu erreichen.