Entwicklung eines Simulationsmodells für den Hardware-in-the-Loop-Entwurf eines Triebwerksreglers

Kurzfassung

Die folgende Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines dynamischen Simulationsmodells der Turbomaschine Rolls-Royce Modell 250-C20B zum Einsatz in einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand für den Test eines Regelungssystems der Gasturbine. Als Grundlage der Modellierung dient ein am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) bereits entwickeltes Modell für die Berechnung stationärer Betriebspunkte. In der Analyse der dynamischen Einflüsse auf das Betriebsverhalten der Turbomaschine wird die kinetische Energiespeicherung in den Wellen als für die Testung des Reglers relevanter Hauptfaktor identifiziert. Entsprechend wird diese in das dynamische Simulationsmodell in Simulink implementiert, welches auf dem stationären Modell aufgebaut ist. Als zweiter wichtiger Faktor für die Dynamik der Gasturbine wurde der Wärmeübergang vom in der Maschine strömenden Fluid zur Gehäusewand identifiziert. Dieser Einfluss wird aufgrund verschiedener Faktoren, wie u.a. der Notwendigkeit der Echtzeitfähigkeit des Simulationsmodells, nicht berücksichtigt. Eine Bewertung und Gegenüberstellung möglicher Komponenten für einen Hardware-in-the-Loop-Aufbau zeigen, dass sich insbesondere ein Open-Platform-Communications-Server als sogenannter Target Computer und eine speicherprogrammierbare Steuerung als Testhardware eignen. Anschließend wird der Vorentwurf eines Proportional-Integral-Derivativ-Reglers dargestellt, die Integrationen in das Modell beschrieben und der Hardware-in-the-Loop-Aufbau emuliert. In der Auswertung wird das dynamische Verhalten des Simulationsmodells erfolgreich auf Plausibilität geprüft. Außerdem wird ein am DLR entwickelter globaler Löser für das Simulationsmodell mit dem numerischen Lösungsverfahren Euler-Cauchy als Optimum in der Simulationsdauer pro Zeitschritt identifiziert und dabei die Echtzeitfähigkeit des Modells aufgezeigt. Abschließend wird die Eignung des Simulationsmodells für die Entwicklung und Testung eines Regelungssystems erwiesen.