フィードバック制御に基づく 定在波型熱音響エンジンにおける 自励発振条件の特徴付け

Presentation on theme: "フィードバック制御に基づく 定在波型熱音響エンジンにおける 自励発振条件の特徴付け"— Presentation transcript:

1 フィードバック制御に基づく 定在波型熱音響エンジンにおける 自励発振条件の特徴付け
Characterization of spontaneous-oscillation condition based on feedback control for thermoacoustic standing-wave engine 長岡技術科学大学 　　　☆ 櫻井 一晃　新保 尚敬　小林 泰秀　山田 昇

2 研究背景 熱音響自励発振が開始する臨界温度比の把握 臨界状態 = 音響パワーの生成と散逸がバランス 臨界温度比の音響パワーによる特徴付け
・システムの評価や改善設計を行う上で重要 周波数応答に基づく臨界温度比の予測[Biwa et al 2010] 臨界状態　=　音響パワーの生成と散逸がバランス 直接計測により臨界状態を議論することは 行われていない 本研究では 臨界温度比の音響パワーによる特徴付け

3 研究背景(続き) 問題点 フィードバック制御で 管内圧力振幅を一定値に維持 ・自励発振前後の領域 ・圧力振幅の 目標値を複数設定 そこで
自励振動は微小振幅で継続しにくいため 時間応答に基いた臨界状態の判別は困難 そこで フィードバック制御で 管内圧力振幅を一定値に維持 フィードバック制御応用例 本研究では ・自励発振前後の領域 ・圧力振幅の 目標値を複数設定 【自励発振前・圧力振幅一定】 　スピーカ駆動電圧を計測 [角島ほか 2013] 【自励発振後・圧力振幅ゼロ】 　ゲインとむだ時間を調整 [井原・琵琶 2012]

4 研究目的 ・不安定状態である自励発振の開始を フィードバック制御により安定化 ・臨界温度比を含む前後の領域で 音響パワー スピーカ消費電力
　フィードバック制御により安定化 ・臨界温度比を含む前後の領域で 音響パワー スピーカ消費電力 　を直接計測 これらを根拠に 自励発振臨界状態の特徴付けを行う

5 実験装置 定在波型熱音響エンジン ・コア部の熱交換器により TC は常に27 ℃に保持 PC ・スピーカと2 つの圧力センサ を搭載
D/A A/D PC PA loudspeaker TH TC Wspk sensor1 sensor2 core 1312 mm 565 164 502 p2 p1 u vi vs 360 ・コア部の熱交換器により 　TC は常に27 ℃に保持 ・スピーカと2 つの圧力センサ 　を搭載 ・sensor1,2 の出力p1,p2 より Two Sensor法で音響パワーWtotalを計測 Φを小文字に ・スピーカに接続された抵抗器(10Ω) 　の両端電圧vi,vsより スピーカ消費電力Wspkを計測 Wtotal

6 実験方法 実験条件 ・p2 の圧力振幅目標値7条件(0, 14, 27, 54, 81, 135, 203 Pa)
・スタック温度比TH/TCを 1 から1.6 まで0.05 刻みで13点 ヒータを指定温度に設定,自励発振が起こるかを確認 自励発振無し：　スピーカで加振 自励発振あり：　消音制御 圧力振幅を 目標値に維持 203Paはスピーカの限界 ０Paは完全消音　その間を何点か選んで測定 音響パワーWtotal・スピーカ消費電力Wspk を計測 温度比との関係を調べる

7 実験方法(続き) 制御系概要 ・自励発振無し ・自励発振あり 補償器ゲインG = 0,スピーカ入力電圧A を調整 (開ループ制御)
Ge-sτ p2 u Asin(ωt) ・自励発振無し + 補償器ゲインG = 0,スピーカ入力電圧A を調整　　(開ループ制御) 発振前は開ループ ・自励発振あり 補償器ゲインG ,遅れ時間τ を調整 　(フィードバック制御)

8 実験結果 TH/TC =1～1.35 (Aを調整) ・スピーカ消費電力Wspkと温度比 ・スピーカ入力電圧Aと温度比 目標値大
目標値が大きいほど電力が必要 ・スピーカ入力電圧Aと温度比 温度比が大きくなるほどスピーカの入力電圧減少 グラフを拡大 スピーヵ振幅はいろんな目標値を試しても従来結果と一致 スピーカの音波はスタックによって増幅 増幅率は温度比が大きくなるほど上昇

9 実験結果(続き) TH/TC =1.35～1.6 (Gを調整) ・スピーカ消費電力Wspkと温度比 ・補償器ゲインGと温度比 目標値大
【目標値ゼロ】 　　Wspkは常にゼロ 　　　自励発振抑制には電力不要 【目標値非ゼロ】 　　目標値が大きいほど電力が必要 ・補償器ゲインGと温度比 温度比が小さくなるほどゲイン減少 (τ は全ての条件で8.5 ms )

10 実験結果(続き) 臨界点前後の領域共に スピーカ消費電力Wspkが 臨界点付近で０に収束 自励発振臨界状態 圧力振幅を一定とした時の
スピーカ消費電力が 極小となる温度比

11 実験結果(続き) 音響パワーWtotal による 特徴付け Wtotal はp2 に比べて 大きく変動し判定が困難 全体的には右上がりの傾向
今後の課題 Wtotal の測定精度を向上 音響パワーによる特徴付け

12 まとめ ・音響パワー,スピーカ消費電力を基準とした 臨界状態の特徴付けを試みた. ・フィードバック制御に基づき,臨界温度比前後
の領域で圧力振幅を目標値に追従させる 制御系を構築し実験を行った. ・結果,圧力振幅を一定とした時の スピーカ消費電力が臨界温度比で極小と なることを実験的に示した.