Energy Efficient Control of a Speed and Displacement Variable Hydraulic Pump

Studenteropgave: Speciale (inkl. HD afgangsprojekt)

  • Jesper Mortensen
4. semester, Elektromekanisk Systemdesign, Kandidat (Kandidatuddannelse)
Nærværende rapport omhandler udvikling af reguleringsalgoritmer til en variabel hastigheds- og deplacement pumpe. Indledningsvist introduceres testbænken: Den har de to indgange bestående af induktionsmotorens hastighed og en styreindgang til pumpens styreventil. Ved et tidligere projekt er pumpen modelleret, og denne model forbedres ved tilføjelse af en overtryksventil på pumpens udgangsside, ved revision af modellens antal af dynamiske ordener samt ved forbedring af modellens parametre, med anvendelse af optimering. Modellen omfatter desuden effekttabene i induktionsmotoren, pumpen og i styreenheden.
Der defineres to reguleringsobjektiver, hvorved pumpen skal følge en trykreference, mens de samlede effekttab af systemets væsentligste komponenter minimeres, med henblik på at maksimere systemets energieffektivitet. På baggrund af modellens svære ulineariteter vælges det, at løsningsstrategien for at indfri de to reguleringsobjektiver skal tage udgangspunkt i ulineær kontrol, og i særdeleshed den såkaldte sliding mode kontrol (SMC).
Med antagelse af stationær tilstand for modellen udlægges systemets tryk- og effektivitetsevne, som funktion af de to indgangssignaler og ved en given udgangseffekt. Herved blev det fundet, at systemet generelt er mest effektivt, når pumpens svingplade er vinklet helt ud. Dette skyldes, at pumpens styreenhed lukker af for størstedelen af de flow, der bidrager til styreenhedens virkemåde, men som også må regnes for effekttab.
Der udarbejdes en simpel styring af pumpen, som har til formål at skabe et sammenligningsgrundlag til den egentlige kontroludvikling. Denne styring er baseret på at efterligne en konventionel konstant frekvens, variabel deplacement pumpe. Ved at definere 16 lasttrajektorier med varierende lastgrader og trykreferencer kan systemets effektivitet og evne til at følge referencetrykket kvantificeres. Med denne styring opnås eksperimentelt en effektiv fejl (RMS) mellem reference- og udgangstryk på 5.2 [\si{\bar}] samt en gennemsnitlig effektivitet på 49.5 [\%] over samtlige lasttrajektorier.
Kontroludviklingen er delt i to: Først anvendes en SISO-betragtning, hvor en lineær regulator assisteres af en ulineær disturbance observer (forstyrrelsesobservator) til at styre udgangstrykket via rotorhastigheden, mens en opslagstabel anvendes til at definere det mest energieffektive valg af signal til styreventilen. Tabellen dannes på baggrund af effektivitetsresultaterne fra antagelse af stationær tilstand. Denne metode viser ved simulering gode resultater, men brugen af en opslagstabel ønskes undgået, idet denne er unik for simuleringmodellen. Som løsning herpå tager del to af kontroludviklingen udgangspunkt i en MIMO-betragtning. Herved genanvendes den udviklede ulineære trykregulering, mens der udvikles en effekttabsregulering. Denne tager ligeledes udgangspunkt i en lineær regulator, som assisteres af en ulineær disturbance observer. Løsningen viser gode resultater ved simulering, og ved eksperimentel implementering opnås en effektiv fejl (RMS) mellem reference- og udgangstryk på 1.9 [\si{\bar}] samt en gennemsnitlig effektivitet på 61.0 [\%] over samtlige lasttrajektorier.
Enkelte udfordringer med den udviklede kontrol, såsom små oscillationer i kontrolsignalet ved konstant reference samt eventuelle udfordringer med overophedning af induktionsmotoren efterlades til videre udvikling. Den etablerede reguleringsalgoritme vurderes at vise væsentligt potentiale for fremtidig industriel anvendelse.
SprogEngelsk
Udgivelsesdato1 jul. 2020
Antal sider73
ID: 333508256