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We study global and local robustness properties of several estimators for shape and scale in a generalized Pareto model. The estimators considered in this paper cover maximum likelihood estimators, skipped maximum likelihood estimators, moment-based estimators, Cramér-von-Mises Minimum Distance estimators, and, as a special case of quantile-based estimators, Pickands Estimator as well as variants of the latter tuned for higher finite sample breakdown point (FSBP), and lower variance. We further consider an estimator matching population median and median of absolute deviations to the empirical ones (MedMad); again, in order to improve its FSBP, we propose a variant using a suitable asymmetric Mad as constituent, and which may be tuned to achieve an expected FSBP of 34%. These estimators are compared to one-step estimators distinguished as optimal in the shrinking neighborhood setting, i.e., the most bias-robust estimator minimizing the maximal (asymptotic) bias and the estimator minimizing the maximal (asymptotic) MSE. For each of these estimators, we determine the FSBP, the influence function, as well as statistical accuracy measured by asymptotic bias, variance, and mean squared error—all evaluated uniformly on shrinking convex contamination neighborhoods. Finally, we check these asymptotic theoretical findings against finite sample behavior by an extensive simulation study.
In this paper, a multi-period supply chain network design problem is addressed. Several aspects of practical relevance are considered such as those related with the financial decisions that must be accounted for by a company managing a supply chain. The decisions to be made comprise the location of the facilities, the flow of commodities and the investments to make in alternative activities to those directly related with the supply chain design. Uncertainty is assumed for demand and interest rates, which is described by a set of scenarios. Therefore, for the entire planning horizon, a tree of scenarios is built. A target is set for the return on investment and the risk of falling below it is measured and accounted for. The service level is also measured and included in the objective function. The problem is formulated as a multi-stage stochastic mixed-integer linear programming problem. The goal is to maximize the total financial benefit. An alternative formulation which is based upon the paths in the scenario tree is also proposed. A methodology for measuring the value of the stochastic solution in this problem is discussed. Computational tests using randomly generated data are presented showing that the stochastic approach is worth considering in these type of problems.
In this article, we summarise the rotation-free and quaternionic parametrisation of a rigid body. We derive and explain the close interrelations between both parametrisations. The internal constraints due to the redundancies in the parametrisations, which lead to DAEs, are handled with the null space technique. We treat both single rigid bodies and general multibody systems with joints, which lead to external joint constraints. Several numerical examples compare both formalisms to the index reduced versions of the corresponding standard formulations.
The main focus of this dissertation is the synthesis and characterization of more recent zeolites with different pore architectures. The unique shape-selective properties of the zeolites are important in various chemical processes and the new zeolites containing novel internal pore architectures are of high interest, since they could lead to further improvement of existing processes or open the way to new applications. This dissertation is organized in the following way: The first part is focused on the synthesis of selected recent zeolites with different pore architectures and their modification to the acidic and bifunctional forms. The second part comprises the characterization of the physicochemical properties of the prepared zeolites by selected physicochemical methods, viz. powder X-ray diffractometry (XRD), N2 adsorption, thermogravimetric analysis (TGA/DTA/MS), ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy, atomic absorption spectroscopy (AAS), infrared (IR) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), 27Al and 29Si magic angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spectroscopy, temperature-programmed reduction (TPR), temperature-programmed desorption of pyridine (pyridine TPD) and adsorption experiments with hydrocarbon adsorptives. The third part of this work is devoted to the application of test reactions, i.e., the acid catalyzed disproportionation of ethylbenzene and the bifunctional hydroconversion of n-decane, to characterize the pore size and architecture of the prepared zeolites. They are known to be valuable tools for exploring the pore structure of zeolites. Finally, an additional test, viz. the competitive hydrogenation of 1-hexene and 2,4,4-trimethyl-1-pentene, has been applied to probe the location of noble metals in medium pore zeolite. The synthesis of the following zeolite molecular sieves was successfully performed in the frame of this thesis (they are ranked according to the largest window size in the respective structure): • 14-MR pores: UTD-1, CIT-5, SSZ-53 and IM-12 • 12-MR pores: ITQ-21 and MCM-68 • 10-MR pores: SSZ-35 and MCM-71 All of them were obtained as pure phase (except zeolite MCM-71 with a minor impurity phase that is hardly to avoid and also present in samples shown in the patent literature). The synthesis conditions are very critical with respect to the formation of the zeolite with a given structure. In this work, the recommended synthesis recipes are included. Among the 14-MR zeolites, the aluminosilicates UTD-1 (nSi/nAl = 28), CIT-5 (nSi/nAl = 116) and SSZ-53 (nSi/nAl = 55) with unidimensional extra-large pore opening formed from 14-MR rings exhibit promising catalytic properties with high thermal stability and they possess strong Brønsted-acid sites. By contrast, the germanosilicate IM-12 with a structure containing 14-MR channels intersecting with 12-MR channels is unstable toward moisture. It was found that UTD-1 and SSZ-53 zeolites are highly active catalysts for the acid catalyzed disproportionation of ethylbenzene and n-decane hydroconversion due to their high Brønsted acidity. To explore their pore structures, the applied two test reactions suggest that UTD-1, CIT-5 and SSZ-53 zeolites contain a very open pore system (12-MR or larger pore systems) because the product distributions are not hampered by too small pores. ITQ-21, a germanoaluminosilicate zeolite with a three-dimensional pore system and large spherical cages accessible through six 12-MR windows, can be synthesized with nSi/nAl ratios between 27 and >200. It possesses a large amount of Brønsted-acid sites. The aluminosilicate zeolite MCM-68 (nSi/nAl = 9) is an extremely active catalyst in the disproportionation of ethylbenzene and in the n-decane hydroconversion. This is due to the presence of a high density of strong Brønsted-acid sites in its structure. The disproportionation of ethylbenzene suggests that MCM-68 is a large pore (i.e., at least 12-MR) zeolite, in agreement with its crystallographic structure. In the hydroconversion of n-decane, the presence of tribranched and ethylbranched isomers and a high isopentane yield of 58 % in the hydrocracked products suggest the presence of large (12-MR) pores in its structure. By contrast, a relatively high value for CI* (modified constraint index) of 2.9 suggests the presence of medium (10-MR) pores in its structure. As a whole, the results are in-line with the crystallographic structure of MCM-68. SSZ-35, a 10-MR zeolite, can be synthesized in a broad range of nSi/nAl ratios between 11 and >500. This zeolite is interesting in terms of shape selectivity resulting from its unusual pore system having unidimensional channels alternating between 10-MR windows and large 18-MR cages. This thermally very stable zeolite contains both, strong Brønsted- and strong Lewis-acid sites. The disproportionation of ethylbenzene classifies SSZ-35 as a large pore zeolite. In the hydroconversion of n-decane, the suppression of bulky ethyloctanes and propylheptane clearly suggests the presence of 10-MR sections in the pore system. By contrast, the low CI* values of 1.2-2.3 and the high isopentane yields of 56-60 % in the hydrocracked products suggest that SSZ-35 also possesses larger intracystalline voids, i.e., the 18-MR cages. The results from the catalytic characterization are in good agreement with the crystallographic structure of zeolite SSZ-35. It was also found that the nSi/nAl ratio influences the crystallite size and therefore the external surface area. As a consequence, product selectivities are also influenced: The lowest nSi/nAl ratio or the smallest crystallite size sample produces larger amounts of the relatively bulky products. The formation of these products probably results from the higher conversion or they are preferentially formed on the external surface area of the catalyst. Zeolite MCM-71 (nSi/nAl = 8) possesses an extremely thermally stable structure and contains a high concentration of Brønsted-acid sites. Its structure allows for the separation of n-alkanes from branched alkanes by selective adsorption. MCM-71 exhibits unique shape-selective properties towards the product distribution in ethylbenzene disproportionation, which is different to those obtained in the medium pore SSZ-35 zeolite. All reaction parameters are fulfilled to classify MCM-71 as medium pore zeolite and this is in good agreement with its reported structure consisting of two-dimensional network of elliptical 10-MR channels and an orthogonal sinusoidal 8-MR channels. The competitive hydrogenation of 1-hexene and 2,4,4-trimethyl-1-pentene was exploited to probe that the major part of the noble metal is located inside the intracrystalline void volume of the medium pore zeolite SSZ-35.
Bei Acrylamid handelt es sich um ein genotoxisches Kanzerogen, welches beim Erhitzen von Lebensmitteln gebildet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit spezifische Lebensmittelmatrices die Bioverfügbarkeit und den Metabolismus von Acrylamid beeinflussen. Lebkuchen als zuckerhaltiges, fettarmes und trockenes Lebensmittel auf Getreidebasis und Pommes frites (fett- und wasserreich; Kartoffelbasis) die entweder direkt aus der Kartoffel geschnitten (mit intakter Gewebestruktur) oder aus Kartoffelerzeugnissen „rekombiniert“ wurden sowie Brotkruste wurden an männliche Sprague Dawley-Ratten über 1, 3, 5, 7 und 9 Tage verfüttert und mit der Aufnahme von Acrylamid über Trinkwasser (Schlundsondierung)verglichen. Die täglich verabreichte Acrylamid-Dosis lag bei 100 µg/kg KG für Pommes frites und Lebkuchen bzw. 50 µg/kg KG für Brotkruste. Als Langzeit-Expositionsbiomarker wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin (Val) am Hämoglobin (Hb) herangezogen. Das Ausmaß der AAVal-Bildung in den Tieren, denen Acrylamid über Pommes frites verabreicht wurde, entsprach jener nach Gabe einer entsprechenden Dosis Acrylamid in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen), was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Lediglich in den Gruppen, die Acrylamid über Brotkruste erhielten, wurde eine geringfügig verminderte Bildung von AAVal-Hb-Addukten im Vergleich zu den AA-TW-Gruppen beobachtet. Nach Aufnahme von Acrylamid über Pommes frites wurde kein signifikanter Unterschied in der Gesamtausscheidung an Mercaptursäuren im Vergleich zur Gabe in Trinkwasser mittels Schlundsondierung (AA-TW-Gruppen) beobachtet, was auf eine vergleichbare Bioverfügbarkeit von Acrylamid hindeutet. Bei den mit Brotkruste gefütterten Tieren wurde eine im Vergleich zu AA-TW-Gruppen geringfügig erniedrigte Ausscheidung an AAMA beobachtet, was im Einklang mit der erniedrigten AA-Val-Bildung steht. Für die Ermittlung der Gesamtbilanz an Acrylamid-Ausscheidung aus dem Organismus wurde auch die Acrylamid- und Glycidamid-Ausscheidung im 24-Stunden-Sammelurin bestimmt. Die ausgeschiedenen Anteile an der verabreichten Tagesdosis leisten einen im Vergleich zu den Mercaptursäuren verhältnismäßig geringen Beitrag zur Gesamtausscheidung einer verabreichten Acrylamid-Dosis. Zur Untersuchung der Resorptionskinetik von Acrylamid bei Verabreichung über Pommes frites im Vergleich zur Aufnahme in Trinkwasser (Schlundsondierung) wurden über einen Zeitraum von 4 Stunden die Acrylamid- und Glycidamid-Gehalte in Rattenserum bestimmt. Insgesamt deutet der zeitliche Verlauf der Acrylamid-Serumkonzentration in der mit Pommes frites gefütterten Gruppe auf eine im Vergleich zur AA-TW-Gruppe verzögerte Freisetzung bzw. verlangsamte Resorption von Acrylamid im Gastrointestinaltrakt hin. Zur Abschätzung der Hintergrundbelastung mit Acrylamid wurden in 8 humanen Blutproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Hämoglobin-Addukten (AAVal, GAVal) sowie in 10 humanen Urinproben die Gehalte an Acrylamid- und Glycidamid-Mercaptursäuren (AAMA, GAMA) bestimmt. Bei den Rauchern wurden deutlich höhere AAVal-Gehalte im Vergleich zu Nichtrauchern gemessen, wohingegen die Gehalte an GAVal auf vergleichbarem Niveau lagen. Darüber hinaus wurde bei den Rauchern eine im Vergleich zu Nichtrauchern signifikant höhere Ausscheidung von AAMA und GAMA beobachtet, wobei die entsprechenden GAMA/AAMA-Verhältnisse bei Rauchern erniedrigt waren. Im Rahmen einer humanen Verzehrsstudie „Bedeutung der CYP450 2E1-Aktivität für die Toxikokinetik von Acrylamid beim Menschen“ wurden Addukte von Acrylamid und Glycidamid mit dem endständigen Valin des Hämoglobin bestimmt. Dabei wurde das Ausmaß der Addukt-Bildung bei 13 Probanden nach Aufnahme von ca. 1 mg Acrylamid über Kartoffel-Chips jeweils bei unbeeinflusster, gehemmter und induzierter CYP450 2E1-Aktivität untersucht. In der Referenzperiode ohne Komedikation wurde bei diesen Probanden ein Anstieg der AAVal-Gehalte um 8 ± 5 pmol/g Hb beobachtet. Ein im Vergleich zur R-Phase signifikant erhöhter AAVal-Anstieg (12 ± 5 pmol/g Hb) zeigte sich in der Testperiode T1, in der CYP450 2E1 durch Disulfiram gehemmt wurde. In der Testperiode T2, in der CYP450 2E1 durch eine Vorbehandlung mit Ethanol induziert wurde, wiesen die AAVal-Gehalte einen mit der R-Phase vergleichbaren Anstieg um 9 ± 5 pmol/g Hb auf. Für GAVal hingegen konnten aufgrund der größeren Messwertschwankungen keine signifikanten Veränderungen in der Testperiode T1 bzw. T2 im Vergleich zur Referenzperiode festgestellt werden. Darüber hinaus wurde bei 3 Probanden der zeitliche Verlauf der AAVal-Bildung in den jeweiligen Testperioden über einen Zeitraum von 24 Stunden untersucht. Die maximale AAVal-Konzentration wurde bei den untersuchten Probanden im Zeitraum von 8-10 Stunden erreicht, wobei anschließend ein Plateau-förmiger Verlauf der Bildungskurven beobachtet wurde.
Online Delay Management
(2010)
We present extensions to the Online Delay Management Problem on a Single Train Line. While a train travels along the line, it learns at each station how many of the passengers wanting to board the train have a delay of delta. If the train does not wait for them, they get delayed even more since they have to wait for the next train. Otherwise, the train waits and those passengers who were on time are delayed by delta. The problem consists in deciding when to wait in order to minimize the total delay of all passengers on the train line. We provide an improved lower bound on the competitive ratio of any deterministic online algorithm solving the problem using game tree evaluation. For the extension of the original model to two possible passenger delays delta_1 and delta_2, we present a 3-competitive deterministic online algorithm. Moreover, we study an objective function modeling the refund system of the German national railway company, which pays passengers with a delay of at least Delta a part of their ticket price back. In this setting, the aim is to maximize the profit. We show that there cannot be a deterministic competitive online algorithm for this problem and present a 2-competitive randomized algorithm.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema der Fortentwicklung von Visualisierungs- und Simulationsmethoden in der städtebaulichen Gestaltungs-planung. Für einen Einstieg in die Materie ist eine tief gehende Auseinandersetzung mit dem Begriff der Planung und deren Prozesse im Allgemeinen und der Versuch der Abgrenzung von städtebaulicher Struktur – und Gestaltungsplanung im Besonderen unerlässlich, auch um das bisher zu Verfügung stehende Methodenrepertoire einer kritischen Untersuchung zu kommen zu lassen. Es wird deutlich, dass die Methoden in der städtebauliche Gestaltungsplanung in den letzten fünf Jahren einem radikalen Wechsel unterzogen worden: Neben der schnelleren Erstellung von virtuellen Umgebungsmodellen sind vor allem die Einflüsse aus der sogenannten Web 2.0 Bewegung und dem veränderten Nutzungsverhalten im Internet die treibenden Motoren, die die Arbeit und die damit verbundenen Methoden in der Gestaltungsplanung verändert haben. Für den Planer hat dies den Vorteil, dass zum Einen Planungsinhalte frühzeitig schneller und transparenter für eine erfolgreiche Plankommunikation aufbereitet werden können, und zum Anderen, dass der Planer diese ehemals sehr anspruchsvollen Arbeit bis zu einem gewissen Umfang auch selbstständig erledigen kann und nicht mehr auf die Hilfe von Spezialisten angewiesen ist. Die dafür benötigten Methoden sind in allen ihren Facetten in dieser Arbeit beleuchtet und zugleich in einem in sich konsistenten Workflow untereinander vernetzt, so dass alle vorgestellten Arbeitsweisen keine eindimensionale Lösungen darstellen, sondern immer wieder untereinander, ähnlich dem Mashup-Gedanken der Web2.0 Community, neu kombinierbar sind. Der Einsatz der Arbeitstechniken inklusiver des Workflows ist dann die Methode der Echtzeitplanung urban vis & sim, die auf die städtebauliche Gestaltungsplanung abgestimmt ist. Zur besseren Verständlichkeit wird die Methode im Laufe der Arbeit nur „Echtzeitplanung“ genannt. Anhand von verschiedenen Einsatzbereichen ist die Methode der Echtzeitplanung in der Praxis auf ihre Umsetzung hin überprüft worden, wobei Bereiche unterschieden werden, die entweder mit einer kurzen Einarbeitungszeit auch von „Visualisierungsneulingen“ bewältigt werden können oder in weiterführende Arbeitstechniken, die das hohe Maß der Flexibilität der Methode durch die Kombination von verschiedenen Techniken auslotet. Die Methode der Echtzeitplanung eignet sich beim Einsatz in der Planung für eine allseits transparente Kommunikation, sofern die in der Arbeit erläuterten Rahmenparameter eingehalten werden. Echtzeitplanungsmethoden sollten frühzeitig und in Abstimmung aller am Prozess beteiligten Akteure dazu verwendet werden, um die Kommunikation und das Verständnis zu stärken. Sie sollten nicht durch ihre beeindruckenden Grafikpräsentation dazu verwendet werden - bewusst oder unbewusst - bestimmte Elemente einer Planung zu überhöhen oder andere dadurch zu negieren.
2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin (TCDD) wurde im Jahr 1997 von der International Agency for Research on Cancer als Gruppe 1 Kanzerogen eingestuft, obwohl die molekularen Mechanismen der kanzerogenen Wirkung von TCDD bislang nicht vollständig geklärt werden konnten. TCDD zeigte im Tierversuch ein erhöhtes hepatokarzinogenes Potential an Ratten, und im Initiations-Promotions-Modell in der Rattenleber konnte TCDD eine starke tumorpromovierende Wirkung zugeschrieben werden. Eine Reihe von Studien zeigten sowohl in vivo als auch in vitro in unterschiedlichen Zellsystemen eine Hemmung des durch verschiedene Stimuli induzierten programmierten Zelltodes, der Apoptose durch TCDD. Diese antiapoptotische Wirkung wird als ein möglicher Mechanismus für die Tumorpromotion von TCDD diskutiert. In der vorliegenden Arbeit sollte der Mechanimus der Apoptose-Hemmung durch TCDD in Leberzellsystemen der Ratte und des Menschen untersucht werden. Außerdem sollte die Frage geklärt werden, ob die anti-apoptotische Wirkung dieses Fremdstoffes über den Arylhydrokarbon-Rezeptor (AhR) vermittelt wird. Die Aufklärung der bislang noch unbekannten molekularen Mechanismen der TCDDvermittelten Kanzerogenese könnte die Risikobewertung einer TCDD-Exposition des Menschen auf eine erheblich solidere Basis stellen als bisher. Es konnte sowohl in primären Rattenhepatozyten als auch in der humanen Hepatomzelllinie Huh-7 bestätigt werden, dass TCDD die durch UVC-Licht induzierte Apoptose hemmt. Dies wurde auf Ebene der DNS-Fragmentierung und an Hand morphologischer Veränderungen des Zellkerns gezeigt. In den Primärhepatozyten war der anti-apoptotische Effekt von TCDD abhängig von einer Aktivierung des AhR. Die Apoptose durch die beiden Proteinbiosynthese-Inhibitoren Ochratoxin A und Cycloheximid wurde im Gegensatz zur UVC-Licht-induzierten Apoptose nicht durch TCDD gehemmt. Dies lässt den Schluss zu, dass eventuell die Neusynthese eines durch den AhR induzierten Proteins für die Hemmung der Apoptose in diesen Zellen nötig ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass entgegen früherer Studien, eine Hemmung der Aktivität des Tumorsuppressors p53 vermutlich nicht für die Apoptosehemmung durch TCDD verantwortlich ist. TCDD-bedingte Änderungen in der Expression von an der Apoptose beteiligten Genen ließen die Vermutung zu, dass diese Substanz zu einer Aktivierung des anti226 apoptotischen Transkriptionsfaktors NF-κB führt. Dies würde letztendlich zu einer Hemmung der Caspase-abhängigen Apoptosewege führen. Es konnte dennoch keine Wirkung des Fremdstoffes auf die Charakteristiken der durch UVC-Licht induzierten Caspasen-abhängigen Apoptose beobachtet werden. Weder wurden die proteolytische Aktivierung, noch die katalytische Aktivität von Caspasen oder die Spaltung von Caspasensubstraten durch TCDD moduliert. Daher wurde angenommen, dass TCDD im Signalweg der Apoptose zwischen der Caspasenaktivität und der apoptotischen DNS-Fragmentierung wirken müsste. Auf Grund dieser Hypothese wurde der Einfluss der Testsubstanz auf die Charakteristiken apoptotischer Nukleasen untersucht. Weder konnte eine verringerte Proteinmenge an Endonuklease G oder Caspase-aktivierter DNase (CAD) festgestellt werden, noch wurde die Aktivität rekombinant exprimierter CAD durch TCDD moduliert. In isolierten Zellkernen primärer Rattenhepatozyten konnte eine intrinsische Nukleaseaktivität identifiziert werden, die Calcium- und Magnesium-abhängig war und vermutlich durch nicht-physiologische Konzentrationen an monovalenten Ionen aktiviert wird. TCDD besaß eine hemmende Wirkung auf diese Nukleaseaktivität. Es erscheint plausibel, dass TCDD die apoptotische DNS-Fragmentierung über einen bisher unbekannten, AhR-abhängigen Mechanismus hemmt, und damit trotz einer Initiation der Apotpose die Integrität der DNS aufrecht erhält, um der Zelle die Möglichkeit zur Entgiftung von Aktivatoren des Fremdstoffmetabolismus zu geben. Diese Zellen könnten sich nach Entzug des pro-apoptotischen Stimulus letztendlich wieder erholen. Da solche Zellen DNS-Schäden tragen können, durch die sie unter normalen Umständen in die Apoptose getrieben worden wären, könnte dieser Mechanismus schließlich eine Rolle in der Tumorpromotion durch TCDD und verwandte Verbindungen spielen.
The aim of this thesis was to link Computational Fluid Dynamics (CFD) and Population Balance Modelling (PBM) to gain a combined model for the prediction of counter-current liquid-liquid extraction columns. Parts of the doctoral thesis project were done in close cooperation with the Fraunhofer ITWM. Their in-house CFD code Finite Pointset Method (FPM) was further developed for two-phase simulations and used for the CFD-PBM coupling. The coupling and all simulations were also carried out in the commercial CFD code Fluent in parallel. For the solution methods of the PBM there was a close cooperation with Prof. Attarakih from the Al-Balqa Applied University in Amman, Jordan, who developed a new adaptive method, the Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM). At the beginning of the project, there was a lack of two-phase liquid-liquid CFD simulations and their experimental validation in literature. Therefore, stand-alone CFD simulations without PBM were carried out both in FPM and Fluent to test the predictivity of CFD for stirred liquid-liquid extraction columns. The simulations were validated by Particle Image Velocimetry (PIV) measurements. The two-phase PIV measurements were possible when using an iso-optical system, where the refractive indices of both liquid phases are identical. These investigations were done in segments of two Rotating Disc Contactors with 150mm and 450mm diameter to validate CFD at lab and at industrial scale. CFD results of the aqueous phase velocities, hold-up, droplet raising velocities and turbulent energy dissipation were compared to experimental data. The results show that CFD can predict most phenomena and there was an overall good agreement. In the next steps, different solution methods for the PBM, e.g. the SQMOM and the Quadrature Method of Moments (QMOM) were implemented, varied and tested in Fluent and FPM in a two-fluid model. In addition, different closures for coalescence and breakage were implemented to predict drop size distributions and Sauter mean diameters in the RDC DN150 column. These results show that a prediction of the droplet size distribution is possible, even when no adjustable parameters are used. A combined multi-fluid CFD-PBM model was developed by means of the SQMOM to overcome drawbacks of the two-fluid approach. Benefits of the multi-fluid approach could be shown, but the high computational load was also visible. Therefore, finally, the One Primary One Secondary Particle Method (OPOSPM), which is a very easy and efficient special case of the SQMOM, was introduced in CFD to simulate a full pilot plant column of the RDC DN150. The OPOSPM offers the possibility of a one equation model for the solution of the PBM in CFD. The predicted results for the mean droplet diameter and the dispersed phase hold up agree well with literature data. The results also show that the new CFD-PBM model is very efficient from computational point of view (two times less than the QMOM and five times less than the method of classes). The overall results give rise to the expectation that the coupled CFD-PBM model will lead to a better, faster and more cost-efficient layout of counter-current extraction columns in future.
Model-based fault diagnosis and fault-tolerant control for a nonlinear electro-hydraulic system
(2010)
The work presented in this thesis discusses the model-based fault diagnosis and fault-tolerant control with application to a nonlinear electro-hydraulic system. High performance control with guaranteed safety and reliability for electro-hydraulic systems is a challenging task due to the high nonlinearity and system uncertainties. This thesis developed a diagnosis integrated fault-tolerant control (FTC) strategy for the electro-hydraulic system. In fault free case the nominal controller is in operation for achieving the best performance. If the fault occurs, the controller will be automatically reconfigured based on the fault information provided by the diagnosis system. Fault diagnosis and reconfigurable controller are the key parts for the proposed methodology. The system and sensor faults both are studied in the thesis. Fault diagnosis consists of fault detection and isolation (FDI). A model-base residual generating is realized by calculating the redundant information from the system model and available signal. In this thesis differential-geometric approach is employed, which gives a general formulation of FDI problem and is more compact and transparent among various model-based approaches. The principle of residual construction with differential-geometric method is to find an unobservable distribution. It indicates the existence of a system transformation, with which the unknown system disturbance can be decoupled. With the observability codistribution algorithm the local weak observability of transformed system is ensured. A Fault detection observer for the transformed system can be constructed to generate the residual. This method cannot isolated sensor faults. In the thesis the special decision making logic (DML) is designed based on the individual signal analysis of the residuals to isolate the fault. The reconfigurable controller is designed with the backstepping technique. Backstepping method is a recursive Lyapunov-based approach and can deal with nonlinear systems. Some system variables are considered as ``virtual controls'' during the design procedure. Then the feedback control laws and the associate Lyapunov function can be constructed by following step-by-step routine. For the electro-hydraulic system adaptive backstepping controller is employed for compensate the impact of the unknown external load in the fault free case. As soon as the fault is identified, the controller can be reconfigured according to the new modeling of faulty system. The system fault is modeled as the uncertainty of system and can be tolerated by parameter adaption. The senor fault acts to the system via controller. It can be modeled as parameter uncertainty of controller. All parameters coupled with the faulty measurement are replaced by its approximation. After the reconfiguration the pre-specified control performance can be recovered. FDI integrated FTC based on backstepping technique is implemented successfully on the electro-hydraulic testbed. The on-line robust FDI and controller reconfiguration can be achieved. The tracking performance of the controlled system is guaranteed and the considered faults can be tolerated. But the problem of theoretical robustness analysis for the time delay caused by the fault diagnosis is still open.