Sähköturbon ohjaus
Jormanainen, Miikka Juhani (2019)
2019
Automaatiotekniikka
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-09-03
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201905141639
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201905141639
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkittiin LQR-menetelmän soveltuvuutta dieselmoottorin ahtopaineen säätöön sähköavusteisella turboahtimella. Työn tavoitteena oli tuottaa sähköturbon ohjaus, joka mahdollistaisi sähköturbollisen dieselmoottorin tutkimuskäytön moottoridynamometrissä. Säädön suunnitteluun käytettiin yksinkertaistettua kompressorimallia, jossa ainoana tilana on turboahtimen kulmataajuus. Kompressorin ja dieselmoottorin välisen imukanavan tuottamaa dynamiikkaa tai järjestelmän viiveitä ei säätösuunnittelussa huomioitu, sillä kohdejärjestelmässä ei ollut riittäviä mittauksia niiden tarkkaan estimointiin. Suunnittelumallin epälineaarisuuden takia LQR-menetelmällä laskettiin soveltuvat viritykset useisiin sähköturbon toimintapisteisiin, joita käytettiin turboahtimen kulmataajuuden ja imukanavan massavirran mukaan skeduloidussa tilasäätimessä. Ohjauksessa keskityttiin dieselmoottorin ahtopaineen hallintaan – sähköturbon energiankulutusta tai muita dieselmoottorin ilmajärjestelmän suureita ei otettu säädössä huomioon.
Säätimen kehitystyön tueksi työssä kehitettiin myös dieselmoottorin ilmajärjestelmän simulaatiomalli Simulink-ympäristöön. Simulaattorissa käytettiin monimutkaisempaa 3-tilaista kompressorimallia, joka huomioi myös imukanavan pituudesta ja tilavuudesta aiheutuvan dynamiikan. Simulaattorin avulla tutkittiin kehitetyn säädön stabiiliutta ja suoritettiin tarvittava ohjelmistotestaus.
Kehitettyä sähköturboa käyttävää ahtopaineen säädintä testattiin simulaattorin lisäksi myös oikealla dieselmoottorilla dynamometrissä. Kehitetyn säätimen todettiin omaavan riittävä suorituskyky sähköturbolla varustetun dieselmoottorin tutkimuskäyttöä varten. Järjestelmän havaittiin kuitenkin sisältävän merkittäviä viiveitä, jotka haittasivat säätimen suorituskykyä. Näistä huolimatta kehitetyllä säätimellä saavutettiin riittävä regulointikyky ja asetusarvon seurantakyky. Sähköturbon havaittiin mahdollistavan perinteiseen turboahtimeen verrattuna huomattavasti nopeammat dieselmoottorin kuormannostot etenkin matalilla kierrosluvuilla. Alhaisella kierrosluvulla suoritetussa kokeessa kuormannostoaika lyheni 8,5 sekunnista 1 sekuntiin käytettäessä sähköavustusta. Sähköturbon havaittiin myös mahdollistavan dieselmoottorin vääntömomentin kasvattamisen alhaisilla kierroksilla verrattuna samaan ahtimeen ilman sähköavustusta.
Säätimen kehitystyön tueksi työssä kehitettiin myös dieselmoottorin ilmajärjestelmän simulaatiomalli Simulink-ympäristöön. Simulaattorissa käytettiin monimutkaisempaa 3-tilaista kompressorimallia, joka huomioi myös imukanavan pituudesta ja tilavuudesta aiheutuvan dynamiikan. Simulaattorin avulla tutkittiin kehitetyn säädön stabiiliutta ja suoritettiin tarvittava ohjelmistotestaus.
Kehitettyä sähköturboa käyttävää ahtopaineen säädintä testattiin simulaattorin lisäksi myös oikealla dieselmoottorilla dynamometrissä. Kehitetyn säätimen todettiin omaavan riittävä suorituskyky sähköturbolla varustetun dieselmoottorin tutkimuskäyttöä varten. Järjestelmän havaittiin kuitenkin sisältävän merkittäviä viiveitä, jotka haittasivat säätimen suorituskykyä. Näistä huolimatta kehitetyllä säätimellä saavutettiin riittävä regulointikyky ja asetusarvon seurantakyky. Sähköturbon havaittiin mahdollistavan perinteiseen turboahtimeen verrattuna huomattavasti nopeammat dieselmoottorin kuormannostot etenkin matalilla kierrosluvuilla. Alhaisella kierrosluvulla suoritetussa kokeessa kuormannostoaika lyheni 8,5 sekunnista 1 sekuntiin käytettäessä sähköavustusta. Sähköturbon havaittiin myös mahdollistavan dieselmoottorin vääntömomentin kasvattamisen alhaisilla kierroksilla verrattuna samaan ahtimeen ilman sähköavustusta.