Zustandsschätzung und modellbasierte Regelung einer Biomassefeuerungsanlage

Publikation: StudienabschlussarbeitMasterarbeitForschung

Abstract

Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energienutzung zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt die Forderung nach einem schadstoffarmen Betrieb von Biomassefeuerungsanlagen bei möglichst hohem Wirkungsgrad eine Herausforderung an deren Regelung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Verbesserung eines existierenden, modellbasierten Regelungskonzepts, welches die Methode der Eingangs-Ausgangslinearisierung zur Regelung sowie einen Erweiterten Kalmanfilter zur Zustandsschätzung vorsieht. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Bioenergy 2020+ anhand einer Versuchsanlage (Flachschubrostfeuerung mit einer Kesselnennleistung von 180 kW) durchgeführt.

Dabei lassen sich eine Reihe von Störeinflüssen identifizieren, unter anderem etwa die bei dieser Anlage besonders stark ausgeprägten Schwankungen des abgebauten Brennstoffs. Die geeignete Berücksichtigung dieser Störeinflüsse im Kalmanfilter durch Formfilter wird untersucht. Ebenso erfolgt die Modellierung von variablen Totzeiten und Sensordynamiken, die bei der Messung einzelner Größen auftreten, durch zusätzliche Sensormodelle. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein neuer Kalmanfilter vorgeschlagen und implementiert.

Die auftretenden Störeinflüsse führen bei der exakt linearisierten Strecke zu einer Abweichung vom geforderten linearen Übertragungsverhalten. Daher wird auch der Regler dahingehend modifiziert, dass die vom Kalmanfilter rekonstruierten Störgrößen bei der Ermittlung des nichtlinearen Zustandsregelgesetzes verwendet werden.

Das modifizierte Regelungskonzept wurde abschließend an der untersuchten Anlage implementiert und experimentell verifiziert. Dabei wurden gegenüber der ursprünglichen Regelung eine deutliche Verbesserung bei der Stabilisierung von Vorlauf- und Sekundärzonentemperatur sowie eine geringere Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses im Brennstoffbett vom vorgegebenen Sollwert erzielt.
Titel in ÜbersetzungState Estimation and Model Based Control of a Biomass Furnace
Originalsprachedeutsch
QualifikationMaster of Science
Gradverleihende Hochschule
  • Technische Universität Graz (90000)
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Dourdoumas, Nicolaos, Betreuer
  • Gölles, Markus, Betreuer
PublikationsstatusVeröffentlicht - Aug 2012

Fingerprint

State estimation
Biomass
Furnaces
Extended Kalman filters
Linearization
Kalman filters
Boilers
Sensors
Combustion chambers
State feedback
Fossil fuels
Feedback control
Stabilization
Decomposition
Temperature
Controllers
Air
Water

Dies zitieren

Zustandsschätzung und modellbasierte Regelung einer Biomassefeuerungsanlage. / Seeber, Richard.

2012. 144 S.

Publikation: StudienabschlussarbeitMasterarbeitForschung

Seeber, R 2012, 'Zustandsschätzung und modellbasierte Regelung einer Biomassefeuerungsanlage', Master of Science, Technische Universität Graz (90000).
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abstract = "Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energienutzung zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt die Forderung nach einem schadstoffarmen Betrieb von Biomassefeuerungsanlagen bei m{\"o}glichst hohem Wirkungsgrad eine Herausforderung an deren Regelung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Verbesserung eines existierenden, modellbasierten Regelungskonzepts, welches die Methode der Eingangs-Ausgangslinearisierung zur Regelung sowie einen Erweiterten Kalmanfilter zur Zustandssch{\"a}tzung vorsieht. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Bioenergy 2020+ anhand einer Versuchsanlage (Flachschubrostfeuerung mit einer Kesselnennleistung von 180 kW) durchgef{\"u}hrt.Dabei lassen sich eine Reihe von St{\"o}reinfl{\"u}ssen identifizieren, unter anderem etwa die bei dieser Anlage besonders stark ausgepr{\"a}gten Schwankungen des abgebauten Brennstoffs. Die geeignete Ber{\"u}cksichtigung dieser St{\"o}reinfl{\"u}sse im Kalmanfilter durch Formfilter wird untersucht. Ebenso erfolgt die Modellierung von variablen Totzeiten und Sensordynamiken, die bei der Messung einzelner Gr{\"o}{\ss}en auftreten, durch zus{\"a}tzliche Sensormodelle. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein neuer Kalmanfilter vorgeschlagen und implementiert.Die auftretenden St{\"o}reinfl{\"u}sse f{\"u}hren bei der exakt linearisierten Strecke zu einer Abweichung vom geforderten linearen {\"U}bertragungsverhalten. Daher wird auch der Regler dahingehend modifiziert, dass die vom Kalmanfilter rekonstruierten St{\"o}rgr{\"o}{\ss}en bei der Ermittlung des nichtlinearen Zustandsregelgesetzes verwendet werden.Das modifizierte Regelungskonzept wurde abschlie{\ss}end an der untersuchten Anlage implementiert und experimentell verifiziert. Dabei wurden gegen{\"u}ber der urspr{\"u}nglichen Regelung eine deutliche Verbesserung bei der Stabilisierung von Vorlauf- und Sekund{\"a}rzonentemperatur sowie eine geringere Abweichung des Verbrennungsluftverh{\"a}ltnisses im Brennstoffbett vom vorgegebenen Sollwert erzielt.",
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year = "2012",
month = "8",
language = "deutsch",
school = "Technische Universit{\"a}t Graz (90000)",

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TY - THES

T1 - Zustandsschätzung und modellbasierte Regelung einer Biomassefeuerungsanlage

AU - Seeber, Richard

PY - 2012/8

Y1 - 2012/8

N2 - Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energienutzung zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt die Forderung nach einem schadstoffarmen Betrieb von Biomassefeuerungsanlagen bei möglichst hohem Wirkungsgrad eine Herausforderung an deren Regelung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Verbesserung eines existierenden, modellbasierten Regelungskonzepts, welches die Methode der Eingangs-Ausgangslinearisierung zur Regelung sowie einen Erweiterten Kalmanfilter zur Zustandsschätzung vorsieht. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Bioenergy 2020+ anhand einer Versuchsanlage (Flachschubrostfeuerung mit einer Kesselnennleistung von 180 kW) durchgeführt.Dabei lassen sich eine Reihe von Störeinflüssen identifizieren, unter anderem etwa die bei dieser Anlage besonders stark ausgeprägten Schwankungen des abgebauten Brennstoffs. Die geeignete Berücksichtigung dieser Störeinflüsse im Kalmanfilter durch Formfilter wird untersucht. Ebenso erfolgt die Modellierung von variablen Totzeiten und Sensordynamiken, die bei der Messung einzelner Größen auftreten, durch zusätzliche Sensormodelle. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein neuer Kalmanfilter vorgeschlagen und implementiert.Die auftretenden Störeinflüsse führen bei der exakt linearisierten Strecke zu einer Abweichung vom geforderten linearen Übertragungsverhalten. Daher wird auch der Regler dahingehend modifiziert, dass die vom Kalmanfilter rekonstruierten Störgrößen bei der Ermittlung des nichtlinearen Zustandsregelgesetzes verwendet werden.Das modifizierte Regelungskonzept wurde abschließend an der untersuchten Anlage implementiert und experimentell verifiziert. Dabei wurden gegenüber der ursprünglichen Regelung eine deutliche Verbesserung bei der Stabilisierung von Vorlauf- und Sekundärzonentemperatur sowie eine geringere Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses im Brennstoffbett vom vorgegebenen Sollwert erzielt.

AB - Die Verbrennung fester Biomasse gewinnt als nachhaltige Form der Energienutzung zunehmend an Bedeutung. Dabei stellt die Forderung nach einem schadstoffarmen Betrieb von Biomassefeuerungsanlagen bei möglichst hohem Wirkungsgrad eine Herausforderung an deren Regelung dar. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung und Verbesserung eines existierenden, modellbasierten Regelungskonzepts, welches die Methode der Eingangs-Ausgangslinearisierung zur Regelung sowie einen Erweiterten Kalmanfilter zur Zustandsschätzung vorsieht. Die Arbeiten wurden in Kooperation mit dem Kompetenzzentrum Bioenergy 2020+ anhand einer Versuchsanlage (Flachschubrostfeuerung mit einer Kesselnennleistung von 180 kW) durchgeführt.Dabei lassen sich eine Reihe von Störeinflüssen identifizieren, unter anderem etwa die bei dieser Anlage besonders stark ausgeprägten Schwankungen des abgebauten Brennstoffs. Die geeignete Berücksichtigung dieser Störeinflüsse im Kalmanfilter durch Formfilter wird untersucht. Ebenso erfolgt die Modellierung von variablen Totzeiten und Sensordynamiken, die bei der Messung einzelner Größen auftreten, durch zusätzliche Sensormodelle. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein neuer Kalmanfilter vorgeschlagen und implementiert.Die auftretenden Störeinflüsse führen bei der exakt linearisierten Strecke zu einer Abweichung vom geforderten linearen Übertragungsverhalten. Daher wird auch der Regler dahingehend modifiziert, dass die vom Kalmanfilter rekonstruierten Störgrößen bei der Ermittlung des nichtlinearen Zustandsregelgesetzes verwendet werden.Das modifizierte Regelungskonzept wurde abschließend an der untersuchten Anlage implementiert und experimentell verifiziert. Dabei wurden gegenüber der ursprünglichen Regelung eine deutliche Verbesserung bei der Stabilisierung von Vorlauf- und Sekundärzonentemperatur sowie eine geringere Abweichung des Verbrennungsluftverhältnisses im Brennstoffbett vom vorgegebenen Sollwert erzielt.

M3 - Masterarbeit

ER -