Model predictive control of the lift forces of two interacting airfoils

• Modellprädiktive Regelung der Auftriebskräfte zweier interagierender Flügelprofile

Aguiar da Franca, Aline; Abel, Dirk (Thesis advisor); Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Gegenstand dieser Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung einer modellbasierten Regelung für Flügelprofile, die mithilfe des Anstellwinkels (Pitch) konstante Auftriebskräfte einregelt. Diese Regelungsstrategie gliedert sich in zwei Phasen: Die erste konzentriert sich auf die Regelung eines einzelnen Profils und die zweite auf die Interaktion zwischen zwei Profilen mit variablen Pitchwinkeln und Hebefunktionen. Letztere berücksichtigt fünf verschiedene vertikale Positionsanordnungen der Profile, sodass die Strömungswechselwirkungen für unterschiedliche Seitenwindabstände analysiert wird. Die Phasen werden jeweils durch die Regelung der individuellen Pitchwinkel der Flügel von Windkraftanlagen und durch die Regelung von Windkraftanlagen in einer Windparkanordnung motiviert. Das Regelungskonzept ist als Dynamic Matrix Control (DMC)-Schema ausgeführt, welches zu der Gruppe der Modellprädiktiven Reglern gehört. Die Strömungsmechanik der Flügelprofile ist nichtlinear und wird zusammen mit der linearen Dynamik der Pitch-Aktuatorik als Wiener Modell abgebildet. Durch die Anwendung des linearisierenden Vorkompensations-Verfahren auf die statische Nichtlinearität der Profile ist eine lineare DMC innerhalb der vorgeschlagenen Strategie anwendbar. Um die Ansätze experimentell zu erproben werden für die beiden oben genannten Forschungsphasen neuartige Testabschnitte für einen geschlossen zirkulierenden Windkanal entwickelt. Beide Konzepte bestehen aus Wandaufbaukonstruktionen, die die Profile im Inneren des Prüfabschnitts horizontal halten. Schrittmotoren, die den Pitchwinkel der Profile betätigen, sind jeweils mit einer Seite der einzelnen Profilwellen verbunden. Um die aerodynamischen Belastungen der Profile in Echtzeit zu messen, werden an beiden Seiten jedes Profils Kraftsensoren eingesetzt. Beide Forschungsphasen werden mithilfe der Testabschnitte und Echtzeitregelungshardware experimentell validiert. Darüber hinaus wird eine umfassende Simulationsstudie in der Computational Fluid Dynamics (CFD) Software Ansys Fluent durchgeführt. Mit diesen CFD-Simulationen wird die Strömung entlang eines Pitch-variablen Profils und zwischen zwei interagierenden Profilen visuell bewertet. Die Profilsysteme werden entsprechend den Versuchsstudien im Windkanals modelliert und in Co-Simulation mit MATLAB/Simulink geregelt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik [416610]