Steuerung und Regelund des Freikolbenlineargenerators - Entwicklungsmethode und Regelungskonzept für den Betrieb eines neuartigen Energiewandlers

Abstract

Die vorliegende Arbeit versteht sich als Beitrag zur Erforschung des Freikolbenlineargenerators (FKLG). Bei diesem handelt es sich um eine Freikolbenmaschine mit innerer Verbrennung und elektrischer Energieauskopplung. Eine derartige Energiewandlungseinheit kann beispielsweise in elektrifizierten Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen zur Reichweitenverlängerung zum Einsatz kommen. Gegenstand dieser Arbeit ist die Steuerung und Regelung des Freikolbensystems. Im Gegensatz zu einem konventionellen kurbelwellenbasierten Verbrennungsmotor weist der Freikolbenlineargenerator einige zusätzliche Freiheitsgrade auf, unter anderem eine variable Kolbenbewegung. Die zu entwickelnden Regelungskonzepte zielen darauf ab, diese Freiheitsgrade einerseits regelungstechnisch stabil zu beherrschen und sie andererseits im Sinne gesamtsystemischer Gütekriterien gewinnbringend zu nutzen. Bei der Entwicklung sind insbesondere die starken Kopplungen zu beachten, die sowohl zwischen den Teilsystemen der Regelstrecke untereinander als auch zwischen den Teilsystemen und den Steuerungs- und Regelungsalgorithmen bestehen. Eine entkoppelte Entwicklung ist daher ebensowenig zielführend wie eine unabhängige Erprobung einzelner Teile der Hardware oder Software. Stattdessen wird ein ganzheitlicher Entwicklungsansatz verfolgt, der die Entwicklung von Hard- und Software nicht nur parallelisiert, sondern umfassend integriert. Zur Lösung der beschriebenen Herausforderungen wird eine Entwicklungsmethode vorgestellt, mithilfe derer entsprechende Regelungsalgorithmen erzeugt werden. Sie werden in eine hierarchische Struktur eingeordnet und in einem stufenweisen Auswahlverfahren bewertet. Wesentliche Schritte der Entwicklungsmethode beinhalten auch experimentelle Untersuchungen an der realen Regelstrecke bzw. an sogenannten Entwicklungssystemen, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und aufgebaut werden. Abschließend wird eine Reglerkonfiguration ausgewählt und zur erstmaligen Inbetriebnahme eines FKLG-Gesamtsystemprüflings auf dem Prüfstand genutzt.