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