Zustandsbewertung industrieller Prozesse mittels multivariater Sensordatenanalyse am Beispiel hydraulischer und elektromechanischer Antriebssysteme

In industriellen Maschinen und Anlagen werden zunehmend Sensoren zur Prozessregelung und -überwachung verwendet. Die Analyse komplexer Multisensordaten mit dem Ziel, relevante Information zu extrahieren, etwa zur Prozess- und Instandhaltungsoptimierung, ist von hoher wirtschaftlicher Bedeutung. Bei komplexen Systemen spielen hierbei datengetriebene Verfahren, insbesondere das maschinelle Lernen, eine zunehmende Rolle. In dieser Arbeit wird ein teilautomatisierter Ansatz zur Merkmalsextraktion, -selektion und Klassifikation auf Basis heterogener Sensordaten vorgeschlagen und anhand zweier Anwendungen evaluiert. Zum einen ist dies die Detektion und Quantifizierung von typischen Schäden eines hydraulischen Systems auf Basis von Prozesssensoren. Hierbei werden in einem Prüfstand künstliche Schadenszustände bei einem konstant und randomisiert ablaufenden Prozess emuliert. Zudem wird die Anfälligkeit der Analyse gegenüber Sensorstörungen untersucht und ein Vorgehen zur Detektion und Kompensation von letzteren vorgeschlagen und erprobt. Die zweite Anwendung ist die Zustandsüberwachung elektromechanischer Zylinder mit dem Fokus auf der Komponente Kugelgewindetrieb. Mittels eines entwickelten Dauerlaufprüfstands erfolgt die zyklische Belastung und Charakterisierung der Zylinder vom Neuzustand bis zum Ausfall auf Basis verschiedener Messgrößen. Ziel ist es hierbei, mittels der multivariaten Sensordatenanalyse eine Verschleiß- und Lebensdauerabschätzung zu ermöglichen.Industrial machines and plants are increasingly equipped with sensors for process control and monitoring. The systematic analysis of complex multi sensor data aiming at extracting relevant information, e.g. to improve the process or maintenance strategy, is of great economic interest. Regarding complex industrial systems, data driven methods, especially machine learning, gain in importance. In this work, a partially automated approach for feature extraction, selection and classification based on heterogeneous sensor data is proposed and evaluated in two scenarios. The first application is the detection and quantification of typical faults in a hydraulic system based on process sensors. Here, artificial fault states are emulated in a test bench during cyclic and randomized processes. In addition, susceptibility of analysis in case of sensor disturbances and failures is studied proposing an approach for the detection and compensation of sensor faults. The second application is the condition monitoring of electromechanical cylinders focusing on the ball screw drive. The lifetime characterization of cylinders from new state to failure is performed by a specifically developed endurance test system monitoring several measurands. Based on these sensor data and the multivariate approach, a statistical model for wear and residual lifetime estimation is derived

Elektromagnetische Verträglichkeit emv : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit. Creating a compatible future. Köln, 17.-19.03.2020

Proceedings der EMV 2020

Untersuchungen zu Abhängigkeiten der Entwicklung des fetalen autonomen Nervensystems vom mütterlichen und kindlichen Gewicht

Im Rahmen der fetalen Programmierung führen Veränderungen der fetalen Umwelt und Homöostase während kritischer Reifungsphasen zu einer Prägung und Umstrukturierung des kindlichen Organismus, welche die Anpassung an diese Umstände ermöglicht. Potenzielle Einflussfaktoren stellen der mütterliche Ernährungszustand, gemessen an dem Body-Mass-Index (BMI) vor der Schwangerschaft und die kindliche Gewichtsentwicklung, aufgezeigt durch das neonatale Geburtsgewicht, dar. Zur Aufrechterhaltung der Homöostase dient das autonome Nervensystem (ANS). Unwillkürlich ist es mittels komplexer Reflexbögen an der adäquaten Anpassung von Organfunktionen auf externe und interne Stimuli beteiligt, zu denen auch die Steuerung der Herzfrequenz gehört. Die Untersuchung der fetalen Herzfrequenzvariabilität (HRV) anhand ausgewählter Parameter ermöglicht einen Aufschluss über die Aktivität und die Reifung des ANS. Mittels fetaler Magnetkardiographie (fMKG) ist eine nicht- invasive Untersuchungsmethode der fetalen Herzschlagfolge mit hoher zeitlicher Auflösung gegeben. Das Ziel der Arbeit liegt darin, die Entwicklung des autonomen Nervensystems und mögliche funktionelle Einschränkungen in Abhängigkeit des mütterlichen Ernährungszustandes und des neonatalen Geburtsgewicht zu untersuchen. Dabei liegt die Annahme zugrunde, dass Abweichungen des Gewichts von der Norm mit einer verstärkten Aktivität des Sympathikus assoziiert sind

Robuste Spracherkennung unter raumakustischen Umgebungsbedingungen

Bei der Überführung eines wissenschaftlichen Laborsystems zur automatischen Spracherkennung in eine reale Anwendung ergeben sich verschiedene praktische Problemstellungen, von denen eine der Verlust an Erkennungsleistung durch umgebende akustische Störungen ist. Im Gegensatz zu additiven Störungen wie Lüfterrauschen o. ä. hat die Wissenschaft bislang die Störung des Raumhalls bei der Spracherkennung nahezu ignoriert. Dabei besitzen, wie in der vorliegenden Dissertation deutlich gezeigt wird, bereits geringfügig hallende Räume einen stark störenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Spracherkennern. Mit dem Ziel, die Erkennungsleistung wieder in einen praktisch benutzbaren Bereich zu bringen, nimmt sich die Arbeit dieser Problemstellung an und schlägt Lösungen vor. Der Hintergrund der wissenschaftlichen Aktivitäten ist die Erstellung von funktionsfähigen Sprachbenutzerinterfaces für Gerätesteuerungen im Wohn- und Büroumfeld, wie z.~B. bei der Hausautomation. Aus diesem Grund werden praktische Randbedingungen wie die Restriktionen von embedded Computerplattformen in die Lösungsfindung einbezogen. Die Argumentation beginnt bei der Beschreibung der raumakustischen Umgebung und der Ausbreitung von Schallfeldern in Räumen. Es wird theoretisch gezeigt, dass die Störung eines Sprachsignals durch Hall von zwei Parametern abhängig ist: der Sprecher-Mikrofon-Distanz (SMD) und der Nachhallzeit T60. Um die Abhängigkeit der Erkennungsleistung vom Grad der Hallstörung zu ermitteln, wird eine Anzahl von Erkennungsexperimenten durchgeführt, die den Einfluss von T60 und SMD nachweisen. Weitere Experimente zeigen, dass die Spracherkennung kaum durch hochfrequente Hallanteile beeinträchtigt wird, wohl aber durch tieffrequente. In einer Literaturrecherche wird ein Überblick über den Stand der Technik zu Maßnahmen gegeben, die den störenden Einfluss des Halls unterdrücken bzw. kompensieren können. Jedoch wird auch gezeigt, dass, obwohl bei einigen Maßnahmen von Verbesserungen berichtet wird, keiner der gefundenen Ansätze den o. a. praktischen Einsatzbedingungen genügt. In dieser Arbeit wird die Methode Harmonicity-based Feature Analysis (HFA) vorgeschlagen. Sie basiert auf drei Ideen, die aus den Betrachtungen der vorangehenden Kapitel abgeleitet werden. Experimentelle Ergebnisse weisen die Verbesserung der Erkennungsleistung in halligen Umgebungen nach. Es werden sogar praktisch relevante Erkennungsraten erzielt, wenn die Methode mit verhalltem Training kombiniert wird. Die HFA wird gegen Ansätze aus der Literatur evaluiert, die ebenfalls praktischen Implementierungskriterien genügen. Auch Kombinationen der HFA und einigen dieser Ansätze werden getestet. Im letzten Kapitel werden die beiden Basistechnologien Stimm\-haft-Stimmlos-Entscheidung und Grundfrequenzdetektion umfangreich unter Hallbedingungen getestet, da sie Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der HFA sind. Als Ergebnis wird dargestellt, dass derzeit für beide Technologien kein Verfahren existiert, das unter Hallbedingungen robust arbeitet. Es kann allerdings gezeigt werden, dass die HFA trotz der Unsicherheiten der Verfahren arbeitet und signifikante Steigerungen der Erkennungsleistung erreicht.Automatic speech recognition (ASR) systems used in real-world indoor scenarios suffer from performance degradation if noise and reverberation conditions differ from the training conditions of the recognizer. This thesis deals with the problem of room reverberation as a cause of distortion in ASR systems. The background of this research is the design of practical command and control applications, such as a voice controlled light switch in rooms or similar applications. Therefore, the design aims to incorporate several restricting working conditions for the recognizer and still achieve a high level of robustness. One of those design restrictions is the minimisation of computational complexity to allow the practical implementation on an embedded processor. One chapter comprehensively describes the room acoustic environment, including the behavior of the sound field in rooms. It addresses the speaker room microphone (SRM) system which is expressed in the time domain as the room impulse response (RIR). The convolution of the RIR with the clean speech signal yields the reverberant signal at the microphone. A thorough analysis proposes that the degree of the distortion caused by reverberation is dependent on two parameters, the reverberation time T60 and the speaker-to-microphone distance (SMD). To evaluate the dependency of the recognition rate on the degree of distortion, a number of experiments has been successfully conducted, confirming the above mentioned dependency of the two parameters, T60 and SMD. Further experiments have shown that ASR is barely affected by high-frequency reverberation, whereas low frequency reverberation has a detrimental effect on the recognition rate. A literature survey concludes that, although several approaches exist which claim significant improvements, none of them fulfils the above mentioned practical implementation criteria. Within this thesis, a new approach entitled 'harmonicity-based feature analysis' (HFA) is proposed. It is based on three ideas that are derived in former chapters. Experimental results prove that HFA is able to enhance the recognition rate in reverberant environments. Even practical applicable results are achieved when HFA is combined with reverberant training. The method is further evaluated against three other approaches from the literature. Also combinations of methods are tested. In a last chapter the two base technologies fundamental frequency (F0) estimation and voiced unvoiced decision (VUD) are evaluated in reverberant environments, since they are necessary to run HFA. This evaluation aims to find one optimal method for each of these technologies. The results show that all F0 estimation methods and also the VUD methods have a strong decreasing performance in reverberant environments. Nevertheless it is shown that HFA is able to deal with uncertainties of these base technologies as such that the recognition performance still improves

Robuste Spracherkennung unter raumakustischen Umgebungsbedingungen

Bei der Überführung eines wissenschaftlichen Laborsystems zur automatischen Spracherkennung in eine reale Anwendung ergeben sich verschiedene praktische Problemstellungen, von denen eine der Verlust an Erkennungsleistung durch umgebende akustische Störungen ist. Im Gegensatz zu additiven Störungen wie Lüfterrauschen o. ä. hat die Wissenschaft bislang die Störung des Raumhalls bei der Spracherkennung nahezu ignoriert. Dabei besitzen, wie in der vorliegenden Dissertation deutlich gezeigt wird, bereits geringfügig hallende Räume einen stark störenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von Spracherkennern. Mit dem Ziel, die Erkennungsleistung wieder in einen praktisch benutzbaren Bereich zu bringen, nimmt sich die Arbeit dieser Problemstellung an und schlägt Lösungen vor. Der Hintergrund der wissenschaftlichen Aktivitäten ist die Erstellung von funktionsfähigen Sprachbenutzerinterfaces für Gerätesteuerungen im Wohn- und Büroumfeld, wie z.~B. bei der Hausautomation. Aus diesem Grund werden praktische Randbedingungen wie die Restriktionen von embedded Computerplattformen in die Lösungsfindung einbezogen. Die Argumentation beginnt bei der Beschreibung der raumakustischen Umgebung und der Ausbreitung von Schallfeldern in Räumen. Es wird theoretisch gezeigt, dass die Störung eines Sprachsignals durch Hall von zwei Parametern abhängig ist: der Sprecher-Mikrofon-Distanz (SMD) und der Nachhallzeit T60. Um die Abhängigkeit der Erkennungsleistung vom Grad der Hallstörung zu ermitteln, wird eine Anzahl von Erkennungsexperimenten durchgeführt, die den Einfluss von T60 und SMD nachweisen. Weitere Experimente zeigen, dass die Spracherkennung kaum durch hochfrequente Hallanteile beeinträchtigt wird, wohl aber durch tieffrequente. In einer Literaturrecherche wird ein Überblick über den Stand der Technik zu Maßnahmen gegeben, die den störenden Einfluss des Halls unterdrücken bzw. kompensieren können. Jedoch wird auch gezeigt, dass, obwohl bei einigen Maßnahmen von Verbesserungen berichtet wird, keiner der gefundenen Ansätze den o. a. praktischen Einsatzbedingungen genügt. In dieser Arbeit wird die Methode Harmonicity-based Feature Analysis (HFA) vorgeschlagen. Sie basiert auf drei Ideen, die aus den Betrachtungen der vorangehenden Kapitel abgeleitet werden. Experimentelle Ergebnisse weisen die Verbesserung der Erkennungsleistung in halligen Umgebungen nach. Es werden sogar praktisch relevante Erkennungsraten erzielt, wenn die Methode mit verhalltem Training kombiniert wird. Die HFA wird gegen Ansätze aus der Literatur evaluiert, die ebenfalls praktischen Implementierungskriterien genügen. Auch Kombinationen der HFA und einigen dieser Ansätze werden getestet. Im letzten Kapitel werden die beiden Basistechnologien Stimm\-haft-Stimmlos-Entscheidung und Grundfrequenzdetektion umfangreich unter Hallbedingungen getestet, da sie Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der HFA sind. Als Ergebnis wird dargestellt, dass derzeit für beide Technologien kein Verfahren existiert, das unter Hallbedingungen robust arbeitet. Es kann allerdings gezeigt werden, dass die HFA trotz der Unsicherheiten der Verfahren arbeitet und signifikante Steigerungen der Erkennungsleistung erreicht.Automatic speech recognition (ASR) systems used in real-world indoor scenarios suffer from performance degradation if noise and reverberation conditions differ from the training conditions of the recognizer. This thesis deals with the problem of room reverberation as a cause of distortion in ASR systems. The background of this research is the design of practical command and control applications, such as a voice controlled light switch in rooms or similar applications. Therefore, the design aims to incorporate several restricting working conditions for the recognizer and still achieve a high level of robustness. One of those design restrictions is the minimisation of computational complexity to allow the practical implementation on an embedded processor. One chapter comprehensively describes the room acoustic environment, including the behavior of the sound field in rooms. It addresses the speaker room microphone (SRM) system which is expressed in the time domain as the room impulse response (RIR). The convolution of the RIR with the clean speech signal yields the reverberant signal at the microphone. A thorough analysis proposes that the degree of the distortion caused by reverberation is dependent on two parameters, the reverberation time T60 and the speaker-to-microphone distance (SMD). To evaluate the dependency of the recognition rate on the degree of distortion, a number of experiments has been successfully conducted, confirming the above mentioned dependency of the two parameters, T60 and SMD. Further experiments have shown that ASR is barely affected by high-frequency reverberation, whereas low frequency reverberation has a detrimental effect on the recognition rate. A literature survey concludes that, although several approaches exist which claim significant improvements, none of them fulfils the above mentioned practical implementation criteria. Within this thesis, a new approach entitled 'harmonicity-based feature analysis' (HFA) is proposed. It is based on three ideas that are derived in former chapters. Experimental results prove that HFA is able to enhance the recognition rate in reverberant environments. Even practical applicable results are achieved when HFA is combined with reverberant training. The method is further evaluated against three other approaches from the literature. Also combinations of methods are tested. In a last chapter the two base technologies fundamental frequency (F0) estimation and voiced unvoiced decision (VUD) are evaluated in reverberant environments, since they are necessary to run HFA. This evaluation aims to find one optimal method for each of these technologies. The results show that all F0 estimation methods and also the VUD methods have a strong decreasing performance in reverberant environments. Nevertheless it is shown that HFA is able to deal with uncertainties of these base technologies as such that the recognition performance still improves

Elektromagnetische Verträglichkeit emv : Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit : Düsseldorf, 11.-13.03.2014

Proceedings der EMV 2014

Anwendungsorientierte robuste Regelung einer Klasse unendlich-dimensionaler Systeme am Beispiel eines trimorphen Biegewandlers

Die vorliegende Arbeit thematisiert ein methodisches Vorgehen zur Synthese hoch performanter robuster endlich-dimensionaler Regler für eine Klasse unendlich-dimensionaler Systeme mit unbeschränkten Ein-/Ausgangsoperatoren am Beispiel eines trimorphen Biegewandlers. Das propagierte Vorgehen zeichnet sich durch einen theoretisch untermauerten Brückenschlag aus, der zwischen der rigorosen mathematischen Theorie unendlich-dimensionaler Systeme einerseits und den ausgereiften, praxiserprobten sowie leicht handhabbaren Syntheseverfahren robuster endlich-dimensionaler Regler nach der H∞-Methode beziehungsweise auf Basis der μ-Synthese andererseits vorgenommen wird. Der durch diese Arbeit geleistete Beitrag zum Eintrag mathematischer Theorie und Methodik in den Methodenbaukasten der Ingenieure umfasst damit ein fundiertes und zugleich praktikables Vorgehen zur Synthese leistungsstarker endlich-dimensionaler Regler für eine umfangreiche Klasse unendlich-dimensionaler Systeme. Einleitend vermittelt eine vergleichende Gegenüberstellung der im regelungstechnischen Kontext gebräuchlichen mathematischen Realisierungen endlich-dimensionaler Systeme und denen ausgewählter Klassen unendlich-dimensionaler Systeme einen eingängigen Zugang zu der diskutierten Thematik. Mit der Pritchard-Salamon-Klasse wird dabei eine Systemklasse eingeführt, die eine Formulierung des Beispielsystems erlaubt und für die zugleich eine umfangreiche sowie ausgereifte Theorie existiert, die wesentliche systemtheoretische Aspekte abdeckt und dabei vielfach klare Analogien zum endlich-dimensionalen Fall aufweist. Innerhalb dieser Arbeit erfolgt dabei erstmalig die explizite Formulierung der den betrachteten trimorphen Biegewandler charakterisierenden Systemdynamik in der Pritchard-Salamon-Klasse. Dieser Zugehörigkeitsbeweis ersetzt den Nachweis essentieller Systemeigenschaften, wie beispielsweise der Existenz und Eindeutigkeit von Lösungen unter Berücksichtigung einer umfangreichen Klasse von Eingangssignalen und der Existenz verschiedener äquivalenter mathematischer Realisierungsformen. Im Anschluss an die Ausführungen zur mathematischen Realisierung dient die Analyse und Klassifizierung des Beispielsystems bezüglich ausgesuchter systemtheoretischer Aspekte der Gewinnung eines ausreichend tiefgreifenden Systemverständnisses, um im Hinblick auf die Reglersynthese einen fundierten Entscheidungsprozess zu ermöglichen. Insbesondere erfolgt im Rahmen der Systemanalyse eine Lösung des Eigenwertproblems des Systemoperators, die Klassifizierung des Systemoperators als diagonalisierbarer Operator und die Klassifizierung der dem System zugeordneten stark stetigen Halbgruppe als analytische Halbgruppe. Ferner wird die Nuklearität des dem Beispielsystem zugeordneten Hankel-Operators gezeigt, die approximative Steuer- und Beobachtbarkeit des trimorphen Biegewandlers festgestellt sowie der Nachweis der exponentiellen Stabilität des Beispielssystems erbracht. Um die Synthese leistungsstarker endlich-dimensionaler Regler zu ermöglichen, umfasst die nachfolgend beschriebene Methodik zur Anwendung indirekter Reglersyntheseverfahren eine konsistente Auswahl des Approximationsverfahrens, der Unsicherheitsbeschreibungen und der eigentlichen Reglersyntheseverfahren. Als ein im Hinblick auf die Reglersynthese aussagekräftiges Maß zur Beurteilung der Eignung und Güte eines Approximationsverfahrens wird dabei die Konvergenz im Sinne der Gap-Metrik angesehen. Entsprechend erfolgt der Nachweis der Konvergenz im Sinne dieser Metrik für das zur Approximation des Beispielsystems verwendete modale Approximationsverfahren, welches ein Spezialfall eines Petrov-Galerkin-Verfahrens darstellt. Im Anschluss an die Approximation wird dem unendlich-dimensionalen Charakter der Strecke nur noch implizit durch die Berücksichtigung einer Modellschar Rechnung getragen. Die Wahl der Struktur der dabei zugrunde liegenden Unsicherheitsformulierung erlaubt eine einfache Integration der resultierenden Modellschar in die Entwurfsprobleme der eingesetzten Reglersyntheseverfahren, ohne dabei übermäßige Konservativität zu induzieren. Im Vorfeld des Reglerentwurfs wird eine an den Regelungszielen orientierte Festlegung auf eine Regelkreisstruktur mit zwei Freiheitsgraden getroffen. Im Einklang mit dieser Struktur erfolgt die Synthese einer Modellfolgeregelung in einem einzelnen Entwurfsschritt sowohl nach der H∞-Methodik als auch mittels der μ-Synthese. Daran schließt sich die Synthese einer Trajektorienfolgeregelung unter Verwendung einer flachheitsbasierten Vorsteuerung sowie einer mittels der μ-Synthese entworfenen Rückführung an. Die ausgewählten Syntheseverfahren gewährleisten jeweils in Kombination mit einem geeignet formulierten Entwurfsproblem a priori die robuste Stabilität des geschlossenen Regelkreises gegenüber der verwendeten Modellschar. Im Fall der μ-Synthese sind hinsichtlich berücksichtigter Modellscharen ohne weitere Analysen zusätzlich Aussagen bezüglich der robusten Performance des geschlossenen Regelkreises möglich. Der Entwurfsprozess wird durch eine abschließende Analyse aller aus der Verwendung der synthetisierten Regler resultierenden Regelkreise hinsichtlich essentieller nomineller und robuster Regelkreiseigenschaften sowie ihres jeweiligen Verhaltens im Zeitbereich vervollständigt. Der maßgebliche Nachweis für die Eignung des vorgeschlagenen Vorgehens erfolgt durch die Anwendung der jeweiligen Regler auf die reale Strecke, daraus resultiert abschließend eine eindrucksvolle Bestätigung der Leistungsfähigkeit und der praktischen Verwendbarkeit der propagierten Vorgehensweise

Identifikation und Steuerung des hydraulischen Betriebspunktes von Nassläufer-Umwälzpumpenaggregaten mittels Drehzahlvariation

Der Energiebedarf von Pumpensystem entspricht etwa 8% bis 9% des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs. Folglich hat die Energieeffizienz von Pumpensystemen einen signifikanten Einfluss auf den weltweiten Energiebedarf. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Betrachtung von Pumpenaggregaten, welche in Wärme- und Kältesystemen eingesetzt werden. In diesem Anwendungsbereich kann der Energieverbrauch durch den Einsatz energieeffizienter Regelungskonzepte im Vergleich zum konventionellen Betrieb des Pumpenaggregates bei konstanter Drehzahl signifikant reduziert werden. Zum Einsatz energieeffizienter Regelungskonzepte ist die Kenntnis des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates, welches die Kombination aus Antrieb und Pumpe darstellt, notwendig. Üblicherweise ist die entsprechende Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen aus Kostengründen nicht vorhanden, weshalb alternative Ansätze entwickelt wurden, um den hydraulischen Betriebspunkt indirekt beispielsweise anhand der Leistungsaufnahme des Pumpenaggregates zu ermitteln. Diese konventionellen Verfahren besitzen jedoch Einschränkungen, wie die Limitierung des Einsatzes auf einen begrenzten Betriebsbereich des Pumpenaggregates. Um auch bei nicht Vorhandensein der Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen einen energieeffizienten Betrieb zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein neues modellbasiertes Verfahren zur Volumenstrombestimmung vorgestellt, welches einen Einsatz über den gesamten Betriebsbereich des Pumpenaggregates ermöglicht. Der Ansatz dieses Verfahrens beruht auf der Überlagerung der Drehzahl des Pumpenaggregates mit einer sinusförmigen Drehzahlvariation und der Extraktion der resultierenden Leistungsschwankung bei der Anregungsfrequenz. Auf Grundlage der extrahierten Leistungskomponenten erfolgt basierend auf in dieser Arbeit entwickelten und anhand von Messungen validierten Modellen der von der Pumpe generierten Förderhöhe und der Eingangsleistung des Antriebs des Pumpenaggregates eine Bestimmung des hydraulischen Betriebspunktes, welcher durch den geförderten Volumenstrom und die generierte Förderhöhe beziehungsweise den Differenzdruck definiert wird. Die Ansätze zur energieeffizienten Regelung von Pumpenaggregaten basieren auf der Regelung der generierten Förderhöhe beziehungsweise dem Differenzdruck statt dem Betrieb bei konstanter Drehzahl. Da die Identifikation des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates in dieser Arbeit auf Grundlage der entwickelten Modelle erfolgt, stehen dem Pumpenaggregat während des Betriebs keine Messwerte zur Regelung der Förderhöhe durch Sensorik zur Erfassung der hydraulischen Größen zur Verfügung. Daher wird neben dem Ansatz zur Identifikation des hydraulischen Betriebspunktes des Pumpenaggregates ebenfalls ein Ansatz zur Steuerung der generierten Förderhöhe basierend auf den entwickelten Modellen vorgestellt, um einen energieeffizienten Betrieb des Pumpenaggregates zu ermöglichen

Zur Schallentstehung an den Seitenkanten von Wölbklappen für Windenergieanlagen

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Ein Beitrag zum Ausbreitungsverhalten modaler Schallfelder in Niederdruckturbinen

Die Reduzierung der Lärmemission ist eine zentrale Herausforderung in der Entwicklung moderner Flugtriebwerke. Dazu ist das physikalische Verständnis der Lärmentstehungs- und Transportmechanismen innerhalb der Antriebe notwendig. Aus diesem Grund widmet sich die vorliegende Arbeit der Untersuchung des Ausbreitungsverhaltens Rotor-asynchron in eine Niederdruckturbine eingekoppelter Schallfelder. Experimente zeigen, dass die Turbinen-internen Schallfelder durch die vielfache Überlagerung von drehenden, stehenden und partiell stehenden Moden geprägt sind, die gerade bei einer Rotor-asynchronen Anregung in besonders komplexer Form auftreten. So werden in dieser Arbeit zunächst die wesentlichen physikalischen Mechanismen des Ausbreitungsverhaltens akustischer Moden in Rohrleitung unter Berücksichtigung überlagerter Strömungs- und Drallfelder herausgearbeitet. Ein Schwerpunkt liegt auf der Behandlung stehender, partiell stehender sowie mehrfach überlagerter Azimutalmoden. Dazu werden unter anderem theoretische Betrachtungen angestellt, die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von überlagerten Modenstrukturen zu bestimmen. Diese folgen nicht mehr den klassischen Ansätzen der Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, sondern ergeben sich vielmehr als eine speziell gemittelte Gesamtgeschwindigkeit, die eine charakteristische Größe der Ausbreitung überlagerter Wellenfelder ist. Darauf aufbauend werden Verfahren entwickelt, experimentell gemessene Schallfelder in ihre modalen Bestandteile zu zerlegen und zu analysieren, wobei insbesondere auf die Bestimmung der modalen Phasenbeziehungen und der Teilmodenverhältnisse eingegangen wird. Es ist das Ziel, einen hybriden Analyseansatz zu entwickeln, der zur Auswertung sowohl auf die Ergebnisse experimenteller Messungen als auch auf die Ergebnisse analytischer Berechnungen zurückgreift. Es wird demonstriert, dass man mit Hilfe dieses Verfahrens komplexe Schallfelder auf Basis weniger Stützstellen experimenteller Messdaten berechnen kann, um so eine vollständige Schallfeldanalyse durchzuführen. Kern dieser Berechnungsverfahren ist ein analytisches Schalltransportmodell, das die Ausbreitung beliebig überlagerter Moden in Ring- und Kreisringkanälen unter Berücksichtigung einer überlagerten Haupt- und Drallströmung bestimmt. Sowohl das Transportmodell als auch die entwickelten Analyseverfahren werden zunächst mit Hilfe experimenteller Versuche in einem aeroakustischen Windkanal für Rohranwendungen validiert und erprobt, bevor sie für akustische Untersuchungen in einer Versuchsturbine eingesetzt werden. Dabei wird das Ausbreitungsverhalten Rotor-asynchron in den Eintritt einer ein- und zweistufigen Versuchsturbine eingekoppelter Schallfelder untersucht. Es zeigt sich, dass abhängig von der Anregungsfrequenz, ganz charakteristische Ausbreitungseigenschaften der Schallfelder auftreten, während Drehzahleffekte nur von untergeordneter Bedeutung sind. Die gewonnenen Erkenntnisse zum Transport- und Transmissionsverhalten werden vorgestellt, diskutiert und entsprechende Schlussfolgerungen gezogen