Model-based control of an asymmetric shock tube experimental facility

The Flexible Asymmetric Shock Tube experimental facility, FAST, is used to conduct experiments on the expansion of non-ideal compressible fluid. It is composed of a vapour generator connected to a 9-m long pipe referred as charge tube, CT. Once the desired thermodynamic conditions are obtained in the charge tube a fast opening valve is opened and the fluid expands in a recipient at lower pressure creating a shock wave. Pressure transducers record the pressure differential moving along the charge tube. During the first experimental campaign, problems with the control design of the facility arose that made further experiments difficult. A model based control design approach is adopted to design a better control scheme for the FAST. The author of this thesis proposes a methodology for the creation of the set point curve of the vapour generator and a new control scheme for the reference tube, RT. The reference tube is a 0.5 m long tube, geometrically identical to the charge tube that is used as a reference for the control of the CT, having a temperature sensor immersed inside that in the CT it is not possible to have for experimental reasons. Previously the control of the RT used as process variable the difference between the temperature measurement of the fluid inside it and the saturation temperature of the fluid inside the vapour generator to control the desired superheating of the fluid inside the RT and CT. The control scheme that this thesis proposes make use of both the low-pass filtered measured temperature inside the RT and the high-pass filtered surface temperature of the RT so that the control is less sensible to the uncertainties of the fluid behaviour inside the RT. Simulations, using the FAST model, confirm the validity of the proposed control strategy.

Il Flexible Asymmetric Shock Tube, FAST, è un apparato sperimentale usato per condurre esperimenti di espansione di fluidi comprimibili non ideali. È composto da un generatore di vapore connesso ad un tubo di 9 m di lunghezza a cui si fa riferimento come charge tube, CT. Una volta che le condizioni termodinamiche desiderate vengono raggiunte nel charge tube, una valvola ad apertura rapida, posta all'estremità del CT, si apre e il fluido si espande in un recipiente a pressione inferiore creando un'onda d'urto. Sensori di pressione posti lungo il charge tube misurano la variazione di pressione che risale il CT. Durante la prima campagna di esperimenti il controllo dell'apparato ha presentato numerosi problemi che hanno reso difficile l'esecuzione di ulteriori esperimenti. Lo scopo di questa tesi è proporre uno schema di controllo migliore per il FAST, progettando il controllo su un modello dell'apparato sperimentale. I principali cambiamenti proposti sono un metodo diverso per la creazione del set point del generatore di vapore e un nuovo schema di controllo per il reference tube, RT. Il reference tube è un tubo di 0.5 m utilizzato come riferimento per il controllo del CT avendo al suo interno un sensore di temperatura che nel CT non è possibile avere per ragioni sperimentali. Precedentemente il controllo del RT usava, come variabile di processo, la differenza fra la temperatura interna, misurata nel RT, e la temperatura di saturazione del fluido, misurata nel generatore di vapore, per controllare il grado di surriscaldamento desiderato nel RT e CT. Lo schema di controllo proposto per il RT utilizza invece una combinazione della temperatura interna al RT filtrata con un filtro passa basso e la temperatura della parete esterna del RT filtrata con un filtro passa alto in modo che lo schema di controllo sia meno sensibile alle incertezze legate al comportamento del fluido di lavoro all'interno del reference tube. Simulazioni, fatte con il modello del FAST, confermano la validità della strategia di controllo proposta.