Desenvolvimento de uma estratégia de controle robusto para estabilização de oscilações termoacústicas em um tubo de rijke

Abstract

Instabilidades termoacústicas indesejadas são prejudiciais aos sistemas de combustão que sofrem com elas, como combustores de turbinas a gás operando sob condições de pré-mistura pobre. Assim, sistemas avançados de monitoramento e controle são necessários para estimar e prever o fenômeno para auxiliar na tomada de decisões e estabilização automática. Neste trabalho, propõe-se o uso de uma descrição fenomenológica distribuída da acústica em interface com um modelo de liberação de calor para projetar um sistema de controle robusto. A pesquisa tomou como base um protótipo do tubo de Rijke, o qual é um sistema amplamente utilizado para o desenvolvimento de metodologias que mitiguem oscilações termoacústicas longitudinais. As características do sistema foram analisadas no domínio da frequência e o comportamento instável foi definido a partir da matriz de funções de transferência irracionais, seus polos e zeros, e atraso de transporte. A metodologia de controle proposta é baseada na síntese µ, a qual naturalmente incorpora as restrições de robustez no projeto do controlador. Resultados de simulação são apresentados para comprovar a efetividade da metodologia sob diferentes condições de operação do sistema. Além disso, uma comparação com o controlador H8 é realizada para quantificar as melhorias de desempenho da metodologia proposta.

Abstract:Unwanted thermoacoustic instabilities are detrimental to combustion systems that suffer from them, such as gas turbine combustors operating under lean premix conditions. Thus, advanced monitoring systems and control strategies are needed to estimate and predict the phenomenon to assist in decision making and automatic stabilization. In this work, it is proposed the use of a distributed phenomenological description of acoustics interfaced with a heat release model to design a robust control system. The research was based on a Rijke tube prototype, which is a widely used system for the development of methods that mitigate longitudinal thermoacoustic oscillations. The characteristics of the system were analyzed in the frequency domain and the unstable behavior was defined from the matrix of irrational transfer functions, its poles and zeros, and transport delay. The proposed control methodology is based on the µ synthesis, which naturally incorporates robustness constraints into the controller design. Simulation results are presented to prove the effectiveness of the method under different operating conditions. Furthermore, a comparative study with a classic controller from the literature is carried out to quantify the performance improvements of the proposed methodology.