State Estimation and Model Based Control of a Biomass Furnace

Research output: ThesisMaster's ThesisResearch

Abstract

As a sustainable energy source, the combustion of solid biomass becomes more important in comparison to fossil fuels. Thereby, especially the demand for low emission and high efficiency operation of biomass furnaces represents a challenge to their control. The aim of this thesis is the evaluation and improvement of an existing, model-based control strategy, which comprises a controller using the input-output linearization technique and an extended Kalman filter for state estimation. The work was performed on the basis of a moving grate furnace with a nominal boiler capacity of 180 kW, in cooperation with the competence center Bioenergy 2020+.

In this thesis a series of disturbances is identified. Especially, particularly high fluctuations of the thermal fuel decomposition could be observed in the investigated plant. Subsequently, appropriate shaping filters are discussed to model these disturbances in the Kalman filter. Furthermore, sensor models are developed to take into account delays of the measured variables due to sensor dynamics and dead times. Based on these results a new Kalman filter is designed and implemented.

The disturbances additionally affect the transfer behavior of the plant linearized by means of input-output linearization. Therefore, the disturbances estimated by the extended Kalman filter are also considered in the determination of the non-linear state feedback control-law.

Finally, the implementation and experimental verification of the modified control strategy at the investigated plant are discussed. A comparison to the original strategy shows a significant improvement in the stabilization of the water feed temperature of the boiler and the temperature in the secondary combustion chamber, as well as more precise control of the air-fuel ratio in the fuel bed.
Translated title of the contributionState Estimation and Model Based Control of a Biomass Furnace
LanguageGerman
QualificationMaster of Science
Awarding Institution
  • Graz University of Technology (90000)
Supervisors/Advisors
  • Dourdoumas, Nicolaos, Supervisor
  • Gölles, Markus, Supervisor
StatusPublished - 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

Cite this

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

2012. 144 p.

Research output: ThesisMaster's ThesisResearch

Seeber, R 2012, 'Zustandsschätzung und modellbasierte Regelung einer Biomassefeuerungsanlage', Master of Science, Graz University of Technology (90000).
@phdthesis{7d8fab334a684592b5df0da97d09217a,
title = "Zustandssch{\"a}tzung und modellbasierte Regelung einer Biomassefeuerungsanlage",
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.",
author = "Richard Seeber",
year = "2012",
month = "8",
language = "deutsch",
school = "Technische Universit{\"a}t Graz (90000)",

}

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 -