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Main Title: Vergleich und Kombination verschiedener adaptiver Regelungskonzepte zur Beeinflussung abgelöster Scherströmungen
Translated Title: Comparison and Combination of various adaptive control strategies to manipulate shear-flows
Author(s): Garwon, Maiko
Advisor(s): King, Rudibert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit werden verschiedene adaptive Regelungskonzepte zur Kontrolle abgelöster Scherströmungen bei variabler Reynolds-Zahl eingesetzt. Am Beispiel der Umströmung einer rückwärts gewandten Stufe wird gezeigt, dass die Kombination aus einem selbsteinstellenden PI-Regler und dem Extremwert-Regler ein leistungsfähiges Verfahren darstellt, mit dem die Wiederanlegelänge im Nachlauf der Stufe gezielt verkürzt bzw. verlängert werden kann. Die Anregung der ablösenden Strömung erfolgt über vier in Reihe geschaltete Lautsprecher, die gleichphasig mit einem harmonischen Spannungssignal beaufschlagt werden. Die Amplitude des Spannungssignals wird vom PI-Regler so berechnet, dass die über Elektret-Mikrofone indirekt gemessene Wiederanlegelänge einem vorgegebenen zeitvariablen Sollwert dauerhaft folgt. Die Aufgabe des Extremwert-Reglers besteht darin, die für die jeweils vorherrschende Reynolds-Zahl optimale Anregungsfrequenz aufzusuchen. In dieser Arbeit wird auch der Einsatz eines weiterentwickelten adaptiven I-Reglers vorgestellt, der besonders zur Regelung von Prozessen geeignet ist, die durch eine ausgangsseitige Sättigung charakterisiert sind. Im Rahmen von offline-Identifikationen wird gezeigt, dass auch das dynamische Verhalten der Stufenströmung durch solch ein nichtlineares Verhalten gekennzeichnet ist. Dementsprechend gewährleistet dieser I-Regler über einen großen Arbeitsbereich eine nahezu gleichbleibende Regelgüte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist der Einsatz des Extremwert-Reglers als Ein- und Mehrgrößenregler zur Anpassung der Geometrie eines akustischen Resonators, der sich stromauf eines Halbdiffusors befindet und als Anregungsmechanismus fungiert. Es wird gezeigt, dass die Regelung in der Lage ist, selbst bei sich ändernder Reynolds-Zahl die beiden Stellgrößen, Schlitzweite und Resonatorvolumen, so einzustellen, dass der Druckrückgewinn des Halbdiffusors maximiert wird. Es stellte sich heraus, dass eine Adaption des Suchradius und bei einer nahezu sprungartigen Änderung der Reynolds-Zahl auch eine Adaption der Reglerverstärkung k des Extremwert-Reglers notwendig ist, um fortlaufend eine zufrieden stellende Regelgüte gewährleisten zu können. Die Anwendung des Extremwert-Reglers zur Geräuschminderung des Drehklangs einer axialen Turbomaschine wird ebenfalls in dieser Arbeit beschrieben. Mit Hilfe von Düsen, die im Nachlauf des Rotors verbaut sind, wird durch die eingedüste Luft ein destruktives Schallfeld erzeugt, welches infolge der Überlagerung mit dem primären Schallfeld zur Reduktion des abgestrahlten Lärms führt. Der eingedüste Massenstrom wird von dem Extremwert-Regler derart bestimmt, sodass der im Nachlauf des Stators über Elektret-Mikrofone erfasste Summenschallpegel minimiert wird. Anhand dieser exemplarischen Strömungsprozesse wird gezeigt, dass besonders der Extremwert-Regler ein leistungsfähiges Verfahren ist, das relativ einfach auf andere Strömungskonfigurationen übertragen werden kann.
The objective of this work is the design and the application of various adaptive control concepts to manipulate shear-flows under varying flow conditions, i.e. Reynolds-numbers. A combination of a self-tuning PI-controller, based on an online-estimation of the plant dynamics, and the extremum-seeking controller is introduced as an effective control strategy to reduce and/or to increase the reattachment length of a backward-facing step flow. Four loudspeakers are used as actuators driven by a zero-phase sinusoidal voltage signal. The amplitude of the loudspeaker input is calculated by the PI-controller achieving that the measured reattachment length permanently follows its set point. The optimal forcing frequency essentially depending on the Reynolds-number is determined by the extremum-seeking controller. In this work a new adaptive I-controller is introduced as an appropriate approach to control plants, which are characterised by an output saturation. An offline-identification confirms that this flow possesses such a non-linear behaviour. The adaptation law exploits this behaviour guaranteeing a desired tracking dynamics of the closed-loop over a wide range of operating points. A wind tunnel experiment exemplarily demonstrates the use of this controller under moderate variations of the Reynolds-number. For a second flow configuration, the flow within a diffusor, the extremum-seeking controller is employed to adjust the geometry of an acoustic resonator located upstream of the diffusor. The slot width of the resonator and the height of the resonator volume are tuned by the controller. It is shown by experiments that the controller find the optimal geometry of the resonator for several initial values of the sloth width and height. Consequently, the pressure recovery is maximised by the use of the controller. To improve the performance of the closed-loop dynamics an adaptation of the seeking radius and, for fast changes of the Reynolds-number, an adaptation of the controller gain k is necessary. The extremum-seeking controller can also be used to reduce the radiated sound of a turbo-machinery. Air injection by valves generates a destructive secondary sound field which is out of phase with the primary sound field caused by a rotor-stator-interaction. The injected air mass is determined by the controller to minimise the overall sound-pressure-level measured downstream of the stator. This work exemplarily shows that the employed adaptive controller and especially the extremum-seeking controller are suitable approaches for flow control. Furthermore it is shown that the extremum-seeking controller can be successfully transferred to other flow configurations.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15633
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1907
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1610
Exam Date: 18-Dec-2006
Issue Date: 8-Jun-2007
Date Available: 8-Jun-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Adaptive Regelung
Extremwert-Regler
Strömungsablösung
Strömungskontrolle
Stufenströmung
Adaptive control
Backward-facing-step-flow
Extremum-seeking-control
Flow control
Stall
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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