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Effective Model-Free and Model-Based Strategies for Closed-Loop Flow Separation Control
폐루프 박리 유동 제어를 위한 효과적인 비모델 및 모델 기반의 제어기법

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Authors
최병훈
Advisor
김현진
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2013-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
항공제어
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2013. 8. 김현진.
Abstract
본 박사학위 논문에서는 박리 유동 제어에 대한 비모델 기반의 적응 역변환 제어기와 proper orthogonal decomposition을 이용한 유동 모델링 및 변형된 이차 확률 추정 기법과 통합된 모델 기반의 유동 제어기를 제안하였다. 또한 본 논문에서는 제안된 박리 유동의 제어 기법을 검증하기 위하여 풍동 실험을 수행하였으며, 실시간 측정을 위하여 MEMS 압력 센서 및 Synthetic jet 구동기를 사용하였다. 비모델 기반의 제안된 기법의 경우, 본래의 비선형 특성을 갖는 박리 유동에 대한 적응 필터링 기법을 이용한 정밀한 실시한 변환 유동 모델을 구성하고 반복 신경회로망 기법을 이용한 적응 앞먹임 제어 기법을 이용하고 모델 자유 기법의 일종인 극값 추종 기법과 통합하는 것을 제안하였다. 제안된 비모델 기반의 기법을 이용하여 박리 유동의 상태를 정밀하게 제어가는 것을 실험적으로 검증하였다. 모델 기반의 제안된 기법의 경우, 널리 알려진 축소 유동 모델은 복잡하고 계산적인 측면에서 비효율적이다. 제안된 proper orthogonal decomposition을 이용한 유동 모델링을 효율적으로 수행하였고 이를 수치적, 실험적으로 검증하였다. 제안된 유동 모델링을 바탕으로 PIV와 같은 고가의 장비 없이도 실시간 유동의 상태를 추정할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 제안된 유동 모델링을 바탕으로 효과적인 유동 제어기를 설계하고 실험적으로 검증을 하였다. 제안된 비모델 기반의 유동 제어 기법을 통해 박리 유동의 효과적인 제어를 수행하였으며, 그에 따라 향상된 유동 상태를 얻을 수 있다. 또한, 이는 에너지 효율의 측면에서 매우 효과적인 연구로 향후 박리 유동 제어 연구 분야에서의 다양하게 적용 및 응용이 가능할 것으로 기대된다.
This dissertation involves an active flow control system for the separated flow over an airfoil
(NACA 64A210) and wing of the unmanned combat aerial vehicle (UCAV) model in a
subsonic wind tunnel. An active flow control system is mainly composed of the piezoelectrically
driven synthetic jet actuator, pressure sensors and closed-loop controllers including
model-free and model-based controller. The objective of this dissertation is to develop two effective closed-loop control strategies
for the flow separation problem. Before performing the closed-loop experiments, the
effectiveness of the jet actuation is first investigated by open-loop tests in various operating
conditions to investigate the suitable control variable. The pressure gradient, which is
calculated from the difference of mean pressure coefficients between two sensor positions,
is a criterion of flow reattachment and pressure recovery. Therefore, the pressure gradient
is selected as control parameter to be controlled for separated flow. As the first approach, the model-free adaptive controller is developed for controlling
the separated flow. The degree of the separated flow which can be expressed as the pressure
gradient must effectively and efficiently be controlled by using the adaptive inverse
control and extremum seeking control schemes. In the model-free adaptive approach, the
adaptive inverse controller and extremum seeking controller are used to obtain the actuation
frequency and magnitude of the piezoelectric driven actuators, respectively. Simulation
and experimental results based on the model-free adaptive control system demonstrate the
satisfactory tracking performance for the pressure recovery. The turbulent kinetic energy (TKE) can be regarded as the kinetic energy of the dynamic
portion of the turbulent fluid flow and estimated by the proper orthogonal decomposition
and the modified stochastic estimation method. Using TKE as an alternative control
parameter, the feasibility in terms of the tracking performance of TKE is investigated using the proposed model-free adaptive controller in combination with a modified stochastic
estimation method that estimates the TKE. Second, for the model-based strategy, this dissertation presents a new reduced order
model that consists of ideas from subspace identification, modified stochastic estimation
and Proper Orthogonal Decmposition (POD) methods. The subspace identification model
is developed based on the computational fluid dynamics results of the separated flow. The
POD and modified quadratic stochastic estimation methods which describe the fluctuating
characteristics of the flow are used in combination with the linear model obtained from the
subspace identification method. The proposed reduced order model is validated by simulation
and experimental results. Based on the proposed reduced order model, the model-based
controller is successfully evaluated delaying the flow separation in the experimental setup
involving the NACA 64A210 airfoil, synthetic jet actuators and pressure sensors.
Language
English
URI
http://hdl.handle.net/10371/118340
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Ph.D. / Sc.D._기계항공공학부)
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