Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird ein Konzept zur Wirkungsgradoptimierung hybrider Energiesysteme vorgestellt, welches insbesondere eine hochdynamisch vorgebbare Trajektorie des momentenbildenden Generatorstroms sowie während der Systemdimensionierung wählbare Konstruktionsparameter als Optimierungsfreiheitsgrade berücksichtigt. Das zweistufige Vorgehen wird anhand des Versuchssystems eines Einzylinder-Dieselgenerators veranschaulicht. Zuerst erfolgt die Ableitung eines modellbasierten Optimalsteuerungsproblems und dessen numerische Lösung. Dieser Ansatz dient zur Bestimmung einer optimalen Betriebsstrategie sowie Maschinendimensionierung und ermöglicht die Analyse der hochdynamisch vorgebbaren Stromtrajektorie. Im zweiten Schritt folgt die Diskussion der Probleme, welche bei der Übertragung der Steuerung auf eine reale Maschine auftreten. Diesbezüglich wird ein modellfreies Echtzeitoptimierungskonzept basierend auf Extremum-Seeking vorgestellt. Die Wirksamkeit sowohl des modellbasierten als auch des modellfreien Ansatzes wird anhand von Simulations- und Messergebnissen demonstriert.
Abstract
In this contribution the problem of maximizing the efficiency of a hybrid power unit at a specified output power level by optimizing the generator current trajectory as well as the design variables that can be chosen during the machine design process is investigated. The concept is demonstrated based on a hybrid single-cylinder diesel engine that is coupled to an electric generator. By developing a model of the system and using open-loop optimal control the optimal operating strategy and the optimal machine design are determined. Besides that, the problems occurring in the application of this strategy to a test rig are discussed. For this purpose, a model-free real-time optimization concept based on extremum seeking control is presented. The effectiveness of both the model-based and the model-free concept are demonstrated by simulation and experimental results.
Literatur
Bai E-W, Fu L-C, Sastry SS (1988) Averaging analysis for discrete time and sampled data adaptive systems. IEEE Trans Circuits Syst 35:137–147
Bertotti G (1998) Hysteresis in Magnetism. Academic Press, San Diego
Betts JT (2001) Practical Methods for Optimal Control Using Nonlinear Programming. SIAM, Philadelphia
Cao Y, Li S, Petzold L, Serban R (2003) Adjoint sensitivity analysis for differential-algebraic equations: the adjoint DAE system and its numerical solution. SIAM J Sci Comput 24:1076–1089
Chmela F, Orthaber, G (1999) Rate of heat release prediction for direct injection diesel engines based on purely mixing controlled combustion. SAE Technical Paper 1999-01-0186.
Choi J-Y, Krstic M, Ariyur KB, Lee JS (2002) Extremum seeking control for discrete-time systems. IEEE Trans Autom Control 47:318–323
De Doncker R, Pulle DWJ, Veltman A (2011) Advanced Electrical Drives — Analysis, Modeling, Control. Springer, New York
Fiengo G, Glielmo L, Vasca F (2007) Control of auxiliary power unit for hybrid electric vehicles. IEEE Trans Control Syst Technol S:1122–1130
Fliess M, Lévine J, Martin P, Rouchon P (1995) Flatness and defect of non-linear systems: introductory theory and examples. Int J Control 61:1327–1361
Fliess M, Lévine J, Martin P, Rouchon P (1999) A lie-backlund approach to equivalence and flatness of nonlinear systems. IEEE Tran Autom Control 44:922–937
Frihauf P, Krstic K, Basa T (2012) Finite-horizon LQ control for unknown discrete-time linear systems via extremum seeking. In: Proc. of the 51st IEEE Conference on Decision and Control, S 5717–5722
Gerdts M (2011) Optimal Control of ODEs and DAEs. DeGruyter, Berlin
Grune R (2012) Verlustoptimaler Betrieb einer elektrisch erregten Synchronmaschine für den Einsatz in Elektrofahrzeugen. Dissertation, TU Berlin
Hoffmann K-H, Watowich SJ, Berry RS (1985) Optimal paths for thermodynamic systems: the ideal diesel cycle. J Appl Phys 58:2125–2134
Hohenberg GF (1979) Advanced approaches for heat transfer calculations. SAE Technical Paper 790825.
Hellstrom E, Lee D, Jiang L, Stefanopoulou A, Yilmaz H (2013) On-board calibration of spark timing by extremum seeking for flex-fuel engines. IEEE Trans Control Sys Technol 21:2273–2279
Heywood JB (1988) Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, New York
Johnson MC, Brunton SL, Kundtz NB, Kutz JN (2015) An extremum-seeking controller for dynamic metamaterial antenna operation. In: Proc. of IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), S 1220–1223
Kellner S (2012) Parameteridentifikation bei permanenterregten Synchronmaschinen. Dissertation, FAU Erlangen-Nürnberg
Killingsworth NJ, Aceves SM, Flowers DL, Espinosa-Loza F, Krstic M (2009) HCCI engine combustion-timing control: Optimizing gains and fuel consumption via extremum seeking. IEEE Trans Control Sys Technol 17:1350–1361
Krstic M, Wang H-H (2000) Stability of extremum seeking feedback for general nonlinear dynamic systems. Automatica 36:595–601
Levi E (1998) State-space d‑q axis models of saturated salient pole synchronous machines. Iee Proc - Electr Power Appl 145:206–216
Manzie C, Moase W, Shekhar R, Mohammadi A, Nesic D, Tan Y (2014) Extremum seeking methods for online automotive calibration. In: Waschl H, Kolmanovsky I, Steinbuch M, del Re L (Hrsg) Optimization and Optimal Control in Automotive Systems. Springer, Cham, S 23–39
Müller G, Ponick B (2009) Theorie elektrischer Maschinen, 6. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim
Müller G, Ponick B (2014) Grundlagen elektrischer Maschinen, 10. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim
Müller G, Vogt K, Ponick B (2008) Berechnung elektrischer Maschinen, 6. Aufl. Wiley-VCH, Weinheim
Nocedal J, Wright SJ (2006) Numerical Optimization, 2. Aufl. Springer, New York
Perseke N (2016) Robustheitsuntersuchung der Regelung eines Dieselgenerators. FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Regelungstechnik (Projektarbeit)
Pischinger R, Kell M, Sams T (2009) Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine, 3. Aufl. Springer, Wien
Popovic D, Jankovic M, Magner S, Teel A (2006) Extremum seeking methods for optimization of variable cam timing engine operation. IEEE Trans Control Sys Technol 14:398–407
Popp J, Deutscher J (2015) Zwei-Freiheitsgrade-Regelung eines Einzylinder-Dieselgenerators unter Ausnutzung der Periodizität. In: Methoden und Anwendungen der Regelungstechnik (Erlangen-Münchener Workshops 2013 und 2014). Shaker Verlag, Aachen, S 40–56
Popp J, Deutscher J (2017) Optimizing a hybrid diesel power unit using extremum seeking control. In: Proc. of the 20th IFAC World Congress, S 8121–8126
Popp J, Deutscher J (2017) Wirkungsgradoptimierung eines Einzylinder-Dieselgenerators mittels Optimalsteuerung und Extremum-Seeking. In: VDI Fachtagung Mechatronik, S 42–47
Rothfuß R (1997) Anwendung der flachheitsbasierten Analyse und Regelung nichtlinearer Mehrgrößensysteme. VDI-Fortschritts-Berichte Nr. 8/644. VDI-Verlag, Düsseldorf
Sampathnarayanan B, Onori S, Yurkovich S (2012) An optimal regulation strategy for energy management of hybrid electric vehicles. In: Proc. of the 51st IEEE Conference on Decision and Control, S 10–13
Shampine LF, Reichelt MW (1997) The MATLAB ODE Suite. SIAM J Sci Comput 18:1–22
Sharafi J, Hager S, Moase WH, Dennis P, Brear MJ, Manzie C (2014) Fast extremum seeking for optimization of brake specific fuel consumption. In: Proc. of the 53rd IEEE Conference on Decision and Control, S 3432–3437
Teo KL, Goh CJ, Wong KH (1991) A Unified Computational Approach to Optimal Control Problems. Longman Scientific & Technical, Harlow
Vassiliadis VS, Sargent RWH, Pantelides CC (1994) Solution of a class of multistage dynamic optimization problems. 1. Problems without path constraints. Ind Eng Chem Res 33:2111–2122
Vassiliadis VS, Sargent RWH, Pantelides CC (1994) Solution of a class of multistage dynamic optimization problems. 2. Problems with path constraints. Ind Eng Chem Res 33:2123–2133
Zurbriggen F, Hutter R, Onder C (2016) Diesel-minimal combustion control of a natural gas-diesel engine. Energies 9. https://doi.org/10.3390/en9010058
Danksagung
Besonderer Dank gilt dem Kooperationspartner Siemens AG, Digital Factory Division, Erlangen für die Unterstützung und Förderung des Forschungsprojekts „Analyse und Regelung einer hybriden Einheit zur elektrischen Energiebereitstellung“.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Popp, J., Deutscher, J. Ein Konzept zur Wirkungsgradoptimierung von Einzylinder-Dieselgeneratoren mittels Optimalsteuerung und Extremum-Seeking. Forsch Ingenieurwes 81, 421–435 (2017). https://doi.org/10.1007/s10010-017-0251-z
Received:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1007/s10010-017-0251-z