Echtzeitsimulation einer Gasturbine
Real-Time-Simulation of a Gas-Turbine
Till Hoffmann
-Diplomarbeit -
September 2000
?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
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
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
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
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
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
Aufstellen eines allgemeinen
Simulationsalgorithmus • Erkennen der thermodynamischen
Zusammenhänge• Aufstellen eines Grundgerüstes der Simulation• Allgemeines Modell für diese Turbinenart
Beisp.: Druckverhältnis abhängig von der Drehzahl
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
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
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
Verifizierung des Modells
• Unter Zuhilfenahme von Versuchsdaten
• Anhand von mehreren Versuchen
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
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
Oberfläche des Control Desks
• Steuerung aller wichtiger Parameter
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