Nonlinear model predictive control of a dual fuel methanol diesel engine

Στρατούλιας, Φίλιππος; Stratoulias, Filippos

dc.contributor.author	Στρατούλιας, Φίλιππος	el
dc.contributor.author	Stratoulias, Filippos	en
dc.date.accessioned	2025-09-15T08:42:13Z
dc.date.available	2025-09-15T08:42:13Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62438
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30134
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Nonlinear model predictive control	en
dc.subject	Methanol-diesel	en
dc.subject	Neural networks	en
dc.subject	Dual-fuel engines	en
dc.title	Nonlinear model predictive control of a dual fuel methanol diesel engine	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Control systems	en
heal.classification	Internal combustion engines	en
heal.classification	Machine learning	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-03-06
heal.abstract	This study focuses on developing a nonlinear model predictive control (NMPC) strategy for a dual-fuel internal combustion engine operating on diesel and methanol. The NMPC framework regulates engine speed while considering additional operational targets such as NOx emissions and thermal efficiency. The modelling phase involves developing multiple feedforward neural network models to approximate non-linear dependencies between key engine parameters. The model characteristics are adjusted considering the computational cost limitations applied by the MPC while maintaining sufficient prediction accuracy. The neural network training process utilizes experimental data, measured in the laboratory test bed. The NMPC control strategy is suitable for multivariable non-linear systems. It predicts future system behaviour and determines optimal control inputs by minimizing a defined cost function over a finite time horizon without violating system constraints. The control scheme, developed in this case, manipulates the methanol injection volume and throttle position, which governs the diesel injection system. The control objective is to track the desired speed set point. Additionally, a strategic weighting factor is introduced within the controller, allowing dynamic adjustment of control priorities to shift focus between speed tracking, emissions reduction, and efficiency improvement. The controller is evaluated through numerical simulations using a high-fidelity mean value model. The simulations include scenarios where the controller maintains the desired speed under varying torque loads, as well as cases where both speed and load change simultaneously, simulating a propeller load condition.	en
heal.abstract	Η παρούσα μελέτη επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας στρατηγικής μη γραμμικού πρόβλεπτικού ελέγχου (NMPC) για έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης διπλού καυσίμου, ο οποίος λειτουργεί με diesel και μεθανόλη. Το σύστημα του NMPC ρυθμίζει την ταχύτητα του κινητήρα, λαμβάνοντας υπόψη επιπρόσθετους λειτουργικούς στόχους, όπως οι εκπομπές NOx και η θερμική απόδοση. Η φάση μοντελοποίησης περιλαμβάνει την ανάπτυξη πολλαπλών νευρωνικών δικτύων, με σκοπό την προσέγγιση των μη γραμμικών εξαρτήσεων μεταξύ βασικών παραμέτρων του κινητήρα. Τα χαρακτηριστικά των μοντέλων προσαρμόζονται λαμβάνοντας υπόψη τους υπολογιστικούς περιορισμούς που επιβάλλει ο MPC, ενώ παράλληλα διατηρείται η απαιτούμενη ακρίβεια πρόβλεψης. Η εκπαίδευση των νευρωνικών δικτύων βασίζεται σε πειραματικά δεδομένα, που συλλέχθηκαν από την πειραματική διάταξη του εργαστηρίου. Η στρατηγική ελέγχου NMPC είναι κατάλληλη για πολυμεταβλητά μη γραμμικά συστήματα. Προβλέπει τη μελλοντική συμπεριφορά του συστήματος και καθορίζει τις βέλτιστες τιμές των ελεγχόμενων μεταβλητών, ελαχιστοποιώντας μία καθορισμένη συνάρτηση κόστους σε έναν πεπερασμένο χρονικό ορίζοντα, χωρίς να παραβιάζει τους περιορισμούς του συστήματος. Το αναπτυχθέν σύστημα ελέγχου ρυθμίζει τον όγκο έγχυσης μεθανόλης και τη θέση του throttle, η οποία ελέγχει την έγχυση diesel. Ο στόχος του ελέγχου είναι η παρακολούθηση του επιθυμητού σημείου αναφοράς της ταχύτητας. Επιπλέον, εισάγεται ένας στρατηγικός συντελεστής βαρύτητας, ο οποίος επιτρέπει τη δυναμική προσαρμογή των προτεραιοτήτων ελέγχου, παρέχοντας τη δυνατότητα εστίασης μεταξύ μείωσης εκπομπών και βελτίωσης της απόδοσης. Η αξιολόγηση του ελεγκτή πραγματοποιείται μέσω αριθμητικών προσομοιώσεων, χρησιμοποιώντας ένα υψηλής ακρίβειας μοντέλο. Οι προσομοιώσεις περιλαμβάνουν σενάρια όπου ο ελεγκτής διατηρεί την επιθυμητή ταχύτητα υπό μεταβαλλόμενα φορτία ροπής, καθώς και περιπτώσεις όπου τόσο η ταχύτητα όσο και το φορτίο μεταβάλλονται ταυτόχρονα, προσομοιώνοντας τις συνθήκες φορτίου προπέλας.	el
heal.advisorName	Παπαλάμπρου, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Δημόπουλος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Θεμελής, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ναυτικής Μηχανολογίας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	99 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false