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Ein Konzept zur Wirkungsgradoptimierung von Einzylinder-Dieselgeneratoren mittels Optimalsteuerung und Extremum-Seeking

Optimizing the efficiency of a single-cylinder diesel generator by using optimal and extremum seeking control

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.

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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“.

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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

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