Combined Model Reference Adaptive Control Design as a Load Control System on a Marine Diesel Engine

Abstract

Ο σχεδιασμός ενός Προσαρμοστικού Συστήματος Ελέγχου επιβολής φόρτισης σε ναυτικό κινητήρα Diesel, αποτελεί το βασικό στόχο αυτής της Διπλωματικής Εργασίας. Ο Προσαρ- μοστικός Ελεγκτής εφαρμόζεται στην αναλογική βαλβίδα εξόδου νερού της υδραυλικής πέ- δης (1.2 MW), που είναι συνδεδεμένη με τον ναυτικό κινητήρα CATERPILLAR 3176B (448 kW) του Εργαστηρίου Ναυτικής Μηχανολογίας (ΕΝΜ). Η επιβολή της επιθυμητής φόρτισης στον άξονα του κινητήρα αποτελεί το πρόβλημα ελέγχου. Η προσαρμογή της επιθυμητής φόρτι- σης του κινητήρα γίνεται μέσω ρύθμισης της παροχής του νερού στην έξοδο της υδραυλικής πέδης με χρήση του υπό σχεδίαση συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου με είσοδο ροπής (φόρτισης) αναφοράς. Γίνεται χρήση αλγορίθμου αναγνώρισης συστήματος τύπου gradient προς την δημιουργία γραμμικού μαθηματικού μοντέλου του συστήματος της υδραυλικής πέ- δης. Τόσο οι εκτιμώμενες παράμετροι του ελεγκτή αλλά και του συστήματος της πέδης χρησι- μοποιούνται για τη δημιουργία της εντολής ελέγχου. Ένας τέτοιος ελεγκτής ονομάζεται Συν- δυασμένος Προσαρμοστικός Ελεγκτής λόγω της συνδυασμένης χρήσης αλγορίθμων ελέγχου και αναγνώρισης συστήματος. Τα αποτελέσματα της πειραματικής αξιολόγησης των συστημάτων ελέγχου στην εγκατά- σταση της υδραυλικής πέδης δείχνουν ότι ο Συνδυασμένος Προσαρμοστικός Ελεγκτής δεν μπορεί να οδηγήσει το σύστημα σε ευσταθή και ικανοποιητική απόκριση. Η αστάθεια στην απόδοσή του οφείλεται στην παρουσία θορύβου στις μετρήσεις των σημάτων του συστήμα- τος και στην ύπαρξη μη μοντελοποιημένης δυναμικής ανώτερης τάξης στο σύστημα, στοιχεία που επηρέασαν αρνητικά την αποδοτικότητα τόσο του αλγορίθμου αναγνώρισης συστήματος αλλά και του ελεγκτή. Ο απλός Προσαρμοστικός Ελεγκτής οδήγησε σε ικανοποιητικά αποτε- λέσματα έπειτα από τη χρήση της τεχνικής της νεκρής ζώνης (dead-zone), προς βελτίωση της ευρωστότητας του ελεγκτή, και αναλογικού κέρδους για μείωση της τιμής της εντολής ελέγ- χου στα επιθυμητά επίπεδα. Όλες οι πειραματικές δοκιμές πραγματοποιήθηκαν με χρήση των προγραμμάτων MATLAB/Simulink και dSPACE Rapid Prototyping Environment.

The main purpose of this diploma Thesis was the design of an adaptive load control system on a marine diesel engine, in the powertrain facilities in LME. Control was applied on the outlet analog water valve of a 1.2 MW water brake dyno, coupled to a 448 kW marine diesel engine, during transient low load operation. Control of water brake’s fill level results in control of applied torque (load) to the engine shaft. The type of adaptive controller chosen for the implementation of load controller was Combined Model Reference Adaptive Control (CMRAC), a combination of direct and indirect MRAC (Model Reference Adaptive Control). Gradient system identification algorithm was used for water brake system plant parameters estimations. Both plant parameters and controller parameters estimations were used for the construction of the control command to the analog valve. Results from experimental evaluation of MRAC and CMRAC proved that both controllers were unstable in the presence of nonlinearities and measurement noise of a complex process like that of the water brake. System response to control command was oscillatory and control error did not converge to zero. System identification algorithm overestimated water brake plant parameters leading to overestimation of controller parameters. Finally, the use of dead-zone robustness technique, so as to eliminate response oscillations, and of proportional gain, so as to decrease control law values, led the final experimental test of a MRAC load control system to successful performance with good stability and generated control error converging to zero. Experimental evaluation of controllers and system identification algorithms’ stability and convergence properties were also carried out using a laboratory device and computer simulation. All of the experimental and computer simulation trials were implemented using MATLAB/Simulink and dSPACE Rapid Prototyping Environment.