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First-class support for (bound) variables in e-graphs
No full textEquality saturation has gained significant interest as a powerful optimization and reasoning technique. At its heart is the e-graph data structure, that space-efficiently represents equal sub-terms uniquely. An important open problem in this context is extending this efficient representation to languages featuring (bound) variables. Independent of how we represent variables in e-graphs, either as names or nameless (using de Bruijn indices), sharing is broken as sub-terms that differ only in the names of their variables are represented separately. This results in aggressive e-graph growth, bad performance, as well as reduced expressiveness. In this paper, we present a novel approach to representing bound variables in e-graphs by making them a first-class built-in feature of the data structure. Our slotted e-graph represents terms that differ only by (bound or free) variable names uniquely. To do so, e-classes that represent equivalent terms via e-nodes are parameterized by slots, abstracting over free variables of the represented terms. Referring to an e-class from an e-node now requires relating the variables from its context to the slots of the e-class. Our evaluation of slotted e-graph uses two case studies from compiler optimization and theorem proving to show that performing equality saturation for languages with bound variables is greatly simplified and that we can solve practically relevant problems that cannot be solved with e-graphs using de Bruijn indices.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Green energy and steel imports reduce Europe’s net-zero infrastructure needs
No full textImporting renewable energy to Europe may offer many potential benefits, including reduced energy costs, lower pressure on infrastructure development, and less land use within Europe. However, open questions remain: on the achievable cost reductions, how much should be imported, whether the energy vector should be electricity, hydrogen, or derivatives like ammonia or steel, and their impact on Europe’s infrastructure needs. This study integrates a global energy supply chain model with a European energy system model to explore net-zero emission scenarios with varying import volumes, costs, and vectors. We find system cost reductions of 1-10%, within import cost variations of ± 20%, with diminishing returns for larger import volumes and a preference for methanol, steel and hydrogen imports. Keeping some domestic power-to-X production is beneficial for integrating variable renewables, leveraging local carbon sources and power-to-X waste heat. Our findings highlight the need for coordinating import strategies with infrastructure policy and reveal maneuvering space for incorporating non-cost decision factors.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Physical and phenomenological modeling of automotive LiDAR sensors for real-time applications
No full textAutomotive LiDAR sensors play a crucial role in environment perception and mapping for automated driving systems. Vehicle-in-the-loop (ViL) testbenches offer a safer, more controlled, and less costly alternative to on-road testing, but they require LiDAR sensor models that are both physically accurate and real-time capable. Meeting these requirements is challenging: laser-surface interactions must be reproduced for a wide variety of materials, motion-induced distortions must be rendered on the fly, and weather phenomena such as rain and snow must be represented realistically, all while maintaining real-time performance. Current LiDAR simulators, such as those in Carla and AirSim, lack validated reflectance models, struggle to accurately simulate the motion distortion effect in real time, and do not account for precipitation effects.
This dissertation addresses these shortcomings through three main contributions:
First, a hybrid approach for modeling LiDAR point cloud reflectance is proposed. The method uses bidirectional reflectance distribution function (BRDF)-based models to estimate the reflectance of primary scene materials, including road surfaces, traffic infrastructure, and vehicle coatings. The BRDF parameters are identified from controlled LiDAR measurements conducted in our laboratory. Quantitative evaluation confirms that the BRDF-based reflectance models accurately reproduce measured point cloud reflectances for the target materials. Secondary background elements, where analytical modeling is intractable, are represented using statistical reflectance priors derived from large-scale real-world datasets.
Second, a novel approach named Trace One More Time (TOMT) was developed to simulate the motion distortion effect in real time for dynamic driving scenarios involving both static and moving objects. This method optimizes computational processes by correcting ray origins instead of repeatedly updating the acceleration structure. As a result, it significantly reduces computational complexity while preserving accuracy. Experiments confirm close alignment with reference data and validate TOMT's real-time suitability for ViL applications.
Third, two specialized methods were devised to incorporate precipitation effects into simulated LiDAR point clouds. First, measured backscatter from precipitation is injected directly into the synthetic point cloud, with corresponding reflectance values estimated using a Mie scattering model. Second, multipath propagation caused by specular reflections on wet pavement is modeled analytically. Combined, these techniques enable the proposed LiDAR sensor model to generate point clouds that more closely resemble field LiDAR data than those produced by current benchmark models.
A series of real-time capability tests confirmed that the LiDAR sensor model meets real-time requirements even in its worst-case configuration, demonstrating its suitability for applications such as ViL testing. Collectively, these advances provide a high-fidelity model for validating LiDAR-based automated driving systems and support the development of safer, more reliable autonomous vehicles.Automotive LiDAR-Sensoren spielen eine zentrale Rolle bei der Umfelderfassung und Kartierung für automatisierte Fahrsysteme. Vehicle-in-the-Loop (ViL)-Prüfstände bieten eine sichere, besser kontrollierbare und kostengünstigere Alternative zu Straßentests, erfordern jedoch LiDAR-Sensormodelle, die sowohl physikalisch exakt als auch echtzeitfähig sind. Diese Anforderungen sind anspruchsvoll: Laser-Oberflächen-Interaktionen müssen für eine große Bandbreite von Materialien nachgebildet werden, bewegungsbedingte Verzerrungen müssen während der Laufzeit erzeugt werden, und Wettereinflüsse wie Regen und Schnee sind realistisch abzubilden - und all das, ohne die Echtzeitfähigkeit zu verletzen. Aktuelle LiDAR-Simulatoren, darunter diejenigen in Carla und AirSim, verfügen über keine validierten Reflexionsmodelle, haben Schwierigkeiten, Bewegungsverzerrungseffekt bei Echtzeitgeschwindigkeit präzise zu simulieren, und berücksichtigen Niederschlagseffekte nicht.
Diese Dissertation begegnet diesen Defiziten mit drei wesentlichen Beiträgen:
Erstens wird ein hybrider Ansatz zur Modellierung der Reflektanz von LiDAR-Punktwolken vorgestellt. Das Verfahren nutzt Modelle auf Basis der bidirektionalen Reflektanzverteilungsfunktion (BRDF), um die Reflektanz primärer Szenenmaterialien, wie Straßenoberflächen, Verkehrsinfrastruktur und Fahrzeuglackierungen, zu schätzen. Die BRDF-Parameter werden aus kontrollierten, im Labor durchgeführten LiDAR-Messungen ermittelt. Eine quantitative Evaluierung bestätigt, dass die BRDF-basierten Reflektanzmodelle die gemessenen Punktwolken- Reflektanzen für die Zielmaterialien genau wiedergeben. Sekundäre Hintergrundelemente, deren analytische Modellierung nicht praktikabel ist, werden durch statistische A-priori-Werte der Reflektanz repräsentiert, die aus umfangreichen realen Datensätzen abgeleitet wurden.
Zweitens wurde ein neuartiges Verfahren namens Trace One More Time (TOMT) entwickelt, um den Bewegungsverzerrungseffekt in Echtzeit für dynamische Fahrszenarien mit statischen und bewegten Objekten zu simulieren. Das Verfahren optimiert die Berechnung, indem es Strahlursprünge korrigiert, anstatt die Beschleunigungsstruktur wiederholt zu aktualisieren. Dadurch wird die Rechenkomplexität deutlich reduziert, ohne an Genauigkeit einzubüßen. Experimente bestätigen eine enge Übereinstimmung mit Referenzdaten und belegen die Echtzeittauglichkeit von TOMT für ViL-Anwendungen.
Drittens wurden zwei spezielle Methoden entwickelt, um Niederschlagseffekte in simulierte LiDAR-Punktwolken einzubringen. Zunächst wird gemessene Rückstreuung aus Niederschlag direkt in die synthetische Punktwolke eingefügt, wobei die zugehörigen Reflektanzwerte mithilfe eines Mie-Streuungsmodells geschätzt werden. Anschließend wird die Mehrwegeausbreitung durch spiegelnde Reflexionen auf nasser Fahrbahn analytisch modelliert. In Kombination ermöglichen diese Verfahren dem vorgeschlagenen LiDAR-Sensormodell, Punktwolken zu erzeugen, die realen Messdaten stärker ähneln als jene, die von bestehenden Referenzmodellen generiert werden.
Eine Reihe von Echtzeitfähigkeitstests bestätigte, dass das LiDAR-Sensormodell selbst in seiner Worst-Case-Konfiguration die Echtzeitanforderungen erfüllt und sich daher für Anwendungen wie ViL-Tests eignet. Insgesamt bieten diese Fortschritte ein hochpräzises Modell zur Validierung LiDAR-basierter automatisierter Fahrsysteme und unterstützen die Entwicklung sichererer und zuverlässigerer autonomer Fahrzeuge
Aufreinigung und Funktionsbeschreibung des Organohalid-Respirationskomplexes in Dehalococcoides mccartyi Stamm CBDB1
No full textDehalococcoides mccartyi is a slow-growing, strictly anaerobic bacterium that uses persistent halogenated hydrocarbons as terminal electron acceptors in its respiration. This respiration is catalysed by a membranebound, multi-subunit organohalide respiration (OHR) complex (~340 kDa). The key enzyme in the OHR is the reductive dehalogenase (RDase), which catalyses the final electron transfer to the substrate. No quinones, cytochromes or proton channels are involved in this process. Therefore, it has been unclear how Dehalococcoides strains generate a proton motive force (pmf) across the membrane. The genetic inaccessibility of the organism and a so far lack of heterologous expression of the entire complex have hindered the structural and biochemical characterisation of the OHR complex. In this work, the reductive dehalogenation activity of D. maccartyi strain CBBD1 was investigated under specific conditions to test whether the protons for the halogen substitution during respiration originate from inside or outside the cell. In addition, a computational model of the entire stand-alone OHR complex was developed. Different purification strategies were tested to enable structural characterisation of the OHR complex derived from wild-type cells on the long run. By using a deuterium-based activity assay, evidence was obtained that protons from the cell interior are transferred to the electron acceptor substituting the halogen atom. This mechanism couples the external electron flow to the necessary proton flux from the cytoplasm to the periplasm, generating the pmf. Using computational and evolutionary analyses, the largest transmembrane subunit of the complex, OmeB, was identified as the potential proton-conducting part of the OHR complex. Several highly conserved protonatable amino acids in combination with water-filled pores were proposed, enabling the extrusion of protons through the membrane. AlphaFold2 was used to construct an in-silico three-dimensional structure of the entire stand-alone OHR supercomplex, in agreement with experimental knowledge. In this model, one proton path identified in OmeB extends through the RDase, which catalyses the transfer of protons and electrons to the reduced halogenated substrate. This suggests that the RDase and its substrate in the respiration of CBDB1 replace the quinone function. In order to establish a method capable of purifying the oxygen-sensitive, membrane-bound OHR protein complex, various purification strategies were tested. A minimum of two steps consisting of anionexchange chromatography and size-exclusion chromatography or density gradient ultracentrifugation was found to be sufficient to isolate a 300 kDa and a 480 kDa protein complex. The RDase activity was retained in these complexes. Shotgun proteomics of the liquid fractions confirmed the presence of all seven expected subunits of the OHR complex. However, the detailed protein composition of bands excised from the CN-PAGE still needs to be determined by mass spectrometry. The experimental results show a very straightforward mechanism by which D. mccartyi couples proton extrusion through the membrane to substrate reduction and thus energy conservation without quinones, cytochromes or proton pumps. It was also shown that an oxygen-sensitive, membrane-bound OHR protein complex can be purified in its native form from very little biomass, enabling the establishment of an upscale approach for cryogenic electron microscopy (cryo-EM). These results could have relevance for other microbial processes and biotechnology applications.Dehalococcoides mccartyi ist ein langsam wachsendes, strikt anaerobes Bakterium, das verschiedene persistente halogenierte Kohlenwasserstoffe als terminale Elektronenakzeptoren für seine Atmung nutzt. Dieser Prozess wird von einem membranständigen Organohalid-Respirationskomplex (OHR-Komplex, ~340 kDa) katalysiert, der aus mehreren Proteinuntereinheiten besteht. Das Schlüsselenzym der OHR ist die reduktive Dehalogenase (RDase), die die terminale Elektronenübertragung auf das halogenierte Substrat katalysiert. Es ist beschrieben, dass weder Chinone noch Protonenkanäle an diesem Prozess beteiligt sind. Daher war bisher unklar, wie die D. mccartyi Stämme den Protonengradienten (pmf) an seiner Membran erzeugt. Die genetische Unzugänglichkeit des Organismus und die bisher erfolglose heterologe Expression des gesamten OHRKomplexes haben die strukturelle Charakterisierung und die vollständige biochemische Beschreibung beeinträchtigt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob die Protonen, die für die Halogensubstitutionsreaktion benötigt werden aus dem Inneren oder von außerhalb der Zelle stammen. Darüber hinaus wurde mit Hilfe von AlphaFold2 eine In-silico-Struktur des gesamten membranständigen OHR-Komplexes entwickelt. Um eine strukturelle Charakterisierung des OHR-Komplexes aus Stamm CBDB1 zu ermöglichen, wurden verschiedene Reinigungsstrategien getestet und miteinander kombiniert, um den Komplex in funktionaler Form zu reinigen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe eines Deuterium-basierten Aktivitätstests nachgewiesen, dass Protonen aus dem Zellinneren auf den Elektronenakzeptor übertragen werden und das Halogenatom ersetzen. Dieser Mechanismus koppelt den externen Elektronenfluss mit der Protonentranslokation aus dem Zytoplasma ins Periplasma und erzeugt so den pmf. Durch computergestützte und evolutionäre Analysen wurde die größte Transmembran-Untereinheit des OHR-Komplexes, OmeB, als die potenzielle protonenleitende Untereinheit des OHR-Komplexes identifiziert. Potentiell sind mehrere hochkonservierte protonenleitende Aminosäuren in Kombination mit wassergefüllten Poren für den Transport von Protonen durch die Membran verantwortlich. Anschließend wurde mit Hilfe von AlphaFold2 eine dreidimensionale In-silico-Struktur des gesamten OHRSuperkomplexes erstellt, die mit den experimentellen Daten übereinstimmt. In diesem Modell erstreckt sich ein in OmeB identifizierter Protonentunnel durch die RDase, die die Übertragung von Protonen und Elektronen auf das halogenierte Substrat katalysiert. Dies deutet darauf hin, dass die RDase und ihr Substrat in der Atmung von CBDB1 die Funktion des Chinons hat. Um eine geeignete Methode zur Reinigung des sauerstoffempfindlichen, membranständigen OHR-Proteinkomplexes zu entwickeln, wurden verschiedene Reinigungsstrategien getestet. Dabei zeigte sich, dass mindestens zwei Schritte, bestehend aus Anionenaustauschchromatographie und Dichtegradienten-Ultrazentrifugation oder Größenausschlusschromatographie, ausreichen, um einen 300 kDa und einen 480 kDa großen Proteinkomplex zu isolieren. Die RDase-Aktivität blieb in diesen Komplexen erhalten. Shotgun-Proteomics der Gesamtproben bestätigte die Präsenz aller sieben erwarteten Untereinheiten des OHR-Komplexes. Die detaillierte Proteinzusammensetzung der aus der CN-PAGE ausgeschnittenen Proteinbanden muss jedoch noch durch Massenspektrometrie bestimmt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen einen sehr einfachen Mechanismus, durch den D. mccartyi die Protonen-translokation über die Membran mit der Substratreduktion koppelt und somit Energie ohne Einsatz von Chinonen, Cytochromen oder Protonenpumpen konserviert. Es wurde zudem demonstriert, dass der sauerstoffempfindliche, membrangebundene OHR-Proteinkomplex in seiner nativen Form aus sehr geringen Biomassemengen gereinigt werden kann, was die Entwicklung eines Upscalings für die Kryo- Elektronenmikroskopie ermöglicht. Diese Erkenntnisse könnten auch für andere mikrobielle Prozesse und biotechnologische Anwendungen relevant sein
Towards automated task-aware data validation
No full textData is a central resource for modern enterprises and institutions, and data validation is essential for ensuring the reliability of downstream applications. However, a major limitation of existing automated data unit testing frameworks is that they ignore the specific requirements of the tasks that consume the data. This paper introduces a task-aware approach to data validation that leverages large language models to generate customized data unit tests based on the semantics of downstream code. We present tadv, a prototype system that analyzes task code and dataset profiles to identify data access patterns, infer implicit data assumptions, and produce executable code for data unit tests. We evaluate our prototype with a novel benchmark comprising over 100 downstream tasks across two datasets, including annotations of their column access patterns and support for assessing the impact of synthetically injected data errors. We demonstrate that tadv outperforms task-agnostic baselines in detecting the data columns accessed by downstream tasks and generating data unit tests that account for the end-to-end impact of data errors. We make our benchmark and prototype code publicly available.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Fault injection attacks on a connected EV
No full textCars are increasingly integrated with digital technologies. Manufacturers aim to enhance the passenger experience by integrating onboard entertainment while minimizing driving effort. However, these advancements are enabled through more and more complex car computers. Tesla, a leader in this field, has actively promoted security research of their car computer by rewarding vulnerability disclosures and sponsoring security contests. However, they specifically exclude hardware attacks from these programs.
This paper formalizes the assets of Tesla’s Car Computer specifically threatened by hardware attacks and outlines the security risks from various often overlooked stakeholders surrounding Connected Cars. All three subsystems of the Car Computer can be fully compromised: two through low-cost voltage glitching attacks and one with a non-invasive, persistent electromagnetic fault injection attack, validating all identified risks.
While these attack vectors are well-known in IT security research, our attacks enable important scrutiny of Tesla’s controversial driving assistance systems. Furthermore, the vulnerable components are either advertised for automotive use or even certified by automotive safety standards, making our attacks applicable to other car brands using the same chips. Finally, as effective countermeasures to fault injection attacks can be expected soon, this paper makes an important case for third-party access to Connected Cars’ hardware, firmware, and data.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025BMFTR, 16KIS1843, Agile Lösungen für ProduktionsAutomaten mittels KommunikationsAbsicherun
Synthese und Regelstrukturgestaltung von Wärmeübertragernetzen auf Exergiebasis: Anwendungen in der industriellen und urbanen Wärmeintegration
No full textThis work leverages the advantages of exergy over energy in portraying the thermody-namic performance of heat exchanger network components to propose innovative ap-proaches for optimizing thermal integration systems. Heat integration, achieved through the interconnection of heat sources and sinks, can be implemented either via direct heat exchange between streams or indirectly through an intermediate medium. The first methodology developed in this thesis focuses on the latter, allowing the inter-mediate streams to mix wherever beneficial. The mixing of streams with different tem-peratures can be optimally used for enhancing the heat integration. Using exergy in-stead of energy as the basis for formulating optimization objectives has proven highly effective. Applying this approach to an industrial case study resulted in a heat recov-ery improvement of 18.2 % and a utility demand reduction of 28.8 %.
Furthermore, the design of flexible heat exchanger networks was explored. A model was formulated to identify the optimal configuration of bypasses for operating the network efficiently over a predefined set of operating points. In a case study, it was demonstrated that optimization based on exergy not only reduced the total exergy de-struction of the system by an order of approximately 30 % but also simplified designs by eliminating unnecessary bypasses. Additionally, two alternative bypass configura-tions were investigated for the same case study. It was highlighted that alternative con-trol configurations cannot be compared based on energy analysis, whereas exergy pro-vided a solid basis for comparing different designs by unveiling the actual thermody-namic inefficiencies of the system components.
The thesis also delves into industrial-urban symbiosis within the context of heat inte-gration. A building energy model was proposed for calculating the heat demand at district scale. A novel exergy-based key performance indicator was tailored to evaluate the performance of the buildings by accounting for both quantity and quality of the energy required for heating purposes. An exergy mismatch index was introduced to quantify the discrepancies between the exergy supplied by district heating networks and that required by buildings connected to them. Finally, a methodology was pro-posed to integrate the developed methods for the heat exchanger network synthesis with intermediate circuits, the design and optimization of bypass configurations and a multi-period model of district heating systems. The methodologies and findings in this thesis will benefit future researchers, heat integration planners, system operators and policy makers by providing insights for decision-making on heat integration systems in both industrial and industrial-urban applications.Diese Arbeit nutzt die Vorteile der Exergie gegenüber der Energie, um die thermodynamische Leistung von Wärmetauschernetzwerken darzustellen, und entwickelt innovative Ansätze zur Optimierung thermischer Integrationssysteme. Die Wärmeintegration, die durch die Verknüpfung von Wärmequellen und -senken erreicht wird, kann direkt durch Wärmeaustausch zwischen Strömen oder indirekt über ein Zwischenmedium erfolgen. Die erste Methode entwickelt in dieser Arbeit konzentriert sich auf Letzteres, indem die Mischung von Zwischen-strömen genutzt wird, wo immer es vorteilhaft ist. Die Verwendung von Exergie anstelle von Energie als Grundlage für die Zielfunktion der Optimierung hat sich als äußerst effektiv er-wiesen. In einer industriellen Fallstudie führte dieser Ansatz zu einer Verbesserung der Wärmerückgewinnung um 18,2 % und einer Reduzierung des externen Energiebedarfs um 28,8 %.
Darüber hinaus wurde das Design von flexiblen Wärmetauschernetzwerken untersucht. Ein Modell wurde entwickelt, um die optimale Konfiguration von Bypässen für den effizienten Betrieb des Netzwerks unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu finden. Eine Fallstudie zeigte, dass die auf Exergie basierende Optimierung nicht nur die gesamte Exergievernichtung des Systems um etwa 30 % reduzierte, sondern auch das Design durch die Eliminierung unnötiger Bypässe vereinfachte. Zudem wurden zwei alternative Bypass-Konfigurationen unter-sucht, wobei Exergie eine solide Grundlage zur Bewertung der thermodynamischen Ineffizienzen der Systemkomponenten bot, während eine energiebasierte Analyse hierfür unzureichend ist.
Im Kontext der industriell-urbanen Symbiose wurde ein Gebäudeenergiemodell zur Berechnung des Wärmebedarfs im Stadtmaßstab vorgeschlagen. Ein neuartiger exergiebasierter Leistungsindikator wurde entwickelt, um sowohl die Menge als auch die Qualität der für Heizungszwecke benötigten Energie zu berücksichtigen. Ein Exergiemismatch-Index quantifiziert die Diskrepanzen zwischen der in Fernwärmenetzen gelieferten und von den angeschlossenen Gebäuden benötigten Exergie. Schließlich wurde eine Methode entwickelt, um die Synthese von Wärmetauschernetzwerken mit Zwischenkreisläufen, die Gestaltung und Optimierung von Bypass-Konfigurationen und ein Mehrperiodenmodell von Fernwärmesystemen zu integrieren.
Die Ergebnisse und Methoden dieser Arbeit bieten wertvolle Einblicke für Forscher, Planer, Betreiber und politische Entscheidungsträger im Bereich der Wärmeintegration in industriellen und industriell-urbanen Anwendungen
Contributions to control engineering issues for the development of a pressure-increasing gas turbine based on fire pattern adjustments
No full textDie vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Entwicklung einer effizienteren Gasturbine basierend auf druckerhöhender Verbrennung. Aktuelle Forschungsergebnisse schlagen einen Wechsel des Brennverfahrens vom derzeit genutzten Brayton- hin zum Humphrey-Kreisprozess vor, mit dem Ziel, den Wirkungsgrad zu erhöhen. Eine mögliche technische Realisierung dieses Prozesses kann mittels der pulsierenden detonativen Verbrennung (Pulse Detonation Combustion, PDC) erreicht werden. In einer entsprechenden Maschine wird die konventionelle Brennkammer durch mehrere instationär arbeitende PDC-Brennrohre ersetzt. Mit einem solchen Maschinenaufbau geht jedoch aufgrund der verwendeten Brennrohre zwingend ein instationäres Systemverhalten einher mit entsprechenden technischen Herausforderungen. Im Rahmen dieser Arbeit werden diese insbesondere im Bereich der mathematischen Beschreibung und Regelung adressiert und Lösungsvorschläge präsentiert.
Die im Zuge dieser Arbeit entwickelten Beiträge wurden experimentell validiert und werden daran orientiert in zwei Bereichen wiedergegeben. Der erste Bereich beschäftigt sich, ausgehend von sogenannten Feuermustern, welche eine periodisch angewandte Zündreihenfolge der Brennrohre darstellen, sowohl mit der mathematischen Modellierung relevanten Systemverhaltens und einer darauf aufbauenden Steuerung als auch mit Möglichkeiten zur modellfreien Regelung. In dem zweiten Bereich wird dagegen der Fokus ausschließlich auf die Vergleichmäßigung des Drucks eines der Turbine vorgelagerten Plenums gelegt. Die angewandten Methoden und Ergebnisse des ersten Bereichs wurden dabei am sogenannten TU-Pulse validiert. Dies ist ein Prüfstand zur Untersuchung des Systemverhaltens einer durchströmten Plenum-Turbine-Untereinheit einer PDC-basierten Gasturbine. Der Prüfstand soll den pulsierenden Strömungscharakter des Betriebs einer PDC-basierten Gesamtmaschine imitieren und damit systematische Untersuchungen des pulsierend arbeitenden Turbinenbetriebs erlauben. Da die mathematische Beschreibung des Systemverhaltens in diesem Zusammenhang zwingend die Auswirkung verschiedener Feuermuster umfassen muss, wird zunächst eine Adaption eines Subspace-Identifikationsansatzes entwickelt, der speziell unter den hier auftretenden Beschränkungen bzgl. der Aktuation die Identifikation eines linearen, zeitinvarianten Modells erlaubt. Aufgrund der Tatsache, dass ein lineares Modell das System nicht notwendigerweise hinreichend gut beschreibt, wird zudem untersucht, inwieweit mit einem modellfreien Regelungsansatz, der sogenannten Extremwertregelung, das Turbinenverhalten in einer wünschenswerten Weise beeinflusst werden kann. Im Rahmen dessen wird jeweils eine Regelung der Arbeit und des Wirkungsgrads der Turbine über Anpassung der Feuermuster untersucht. Weiter wird eine Wirkungsgradregelung über eine kombinierte Aktuation bestehend aus Feuermustern und Feuerfrequenz realisiert. Zudem wird eine mögliche Variante zum Anfahren der Gasturbine unter Verwendung der Extremwertregelung auf die Feuermuster betrachtet. Da eine Vergleichmäßigung des Plenumdrucks von essenzieller Wichtigkeit für den erfolgreichen Betrieb der Turbine ist, konzentriert sich der zweite Bereich darauf. Die entwickelten Methoden wurden hier an einem zweiten Prüfstand validiert, der speziell das akustische Verhalten des Plenums mit realistischen Randbedingungen wiedergeben soll, dem sogenannten akustischen Prüfstand. Die zugehörigen Experimente betrachten daher hauptsächlich Abweichungen des Drucks ausgehend von einem Mitteldruck, wurden aber im Rahmen einer
Unteraufgabe ebenfalls um eine virtuelle, dynamische Mitteldruckkomponente parallel zur tatsächlichen realen Dynamik ergänzt, was als hybrides Experiment bezeichnet wird. Zur Minimierung der Druckschwankungen im Plenum dieses Versuchsstandes wird zunächst eine Betrachtung möglicher, recheneffizienter Optimalsteuerungen für Feuermuster durchgeführt. Zunächst wird ein iterativ arbeitender, approximativer Ansatz zur Verbesserung von Feuermustern entwickelt. Anschließend wird eine Reformulierung der bisher einzigen dem Autor bekannten Optimalsteuerungsmethode für Feuermuster mit dem Zweck der Vergleichmäßigung der Druckschwankungen aufgebaut, die einen Anspruch erheben kann, ein globales Optimum zu bestimmen. Durch die Transformation des gemischt-ganzzahligen Lösungsraums der ursprünglichen Formulierung in einen reellwertigen kann das gefundene globale Optimum mittels Partikelschwarmoptimierung unter erheblich geringerem Zeitaufwand
berechnet werden. Außerdem wird ein iterativ lernender Regelungsansatz für die Feuermusteranpassung entwickelt, welcher keines im vorhinein identifizierten Modells für eine Druckvergleichmäßigung bedarf. Abschließend wird eine modellprädiktive Regelung aufbauend auf dem sogenannten Sphere-Decoding-Algorithmus entwickelt, welche eine Regelung des Gesamtdrucks im Plenum ermöglicht. Mit dieser werden auf einem betrachteten Horizont die optimalen nächsten Zündzeitpunkte der Brennrohre bestimmt, wobei explizit mögliche Einschränkungen bzgl. der Zündzeitpunkte, wie sie durch Wiederbefüllung der Rohre beispielsweise möglich sind, berücksichtigt werden. Weiter wird die Umsetzung des Ansatzes auf einem vorhandenen Field Programmable Gate Array (FPGA) untersucht und der Ansatz in einem hybriden Experiment am Prüfstand validiert.The present work contributes to the development of a more efficient gas turbine based on pressure-gain combustion. In order to achieve a higher efficiency in gas turbines, the current state of research suggests a change in the combustion process from the currently used Brayton to the Humphrey cycle. A possible technical realization of this process can be achieved using pulse detonation combustion (PDC). In a corresponding machine, the conventional combustion chamber would be replaced by a number of unsteady operating PDC combustion tubes in order to realize the combustion. However, due to the combustion tubes used, such a machine design is inevitably accompanied by unsteady system behavior, which poses numerous technical challenges. In the context of this work, these are addressed in particular in the area of mathematical modeling and control and possible solutions are presented. The contributions developed in this work were validated experimentally and are presented in two parts. The first part deals with the modeling of the relevant system behavior based on so-called firing patterns, which represent a periodically applied ignition sequence of the combustion tubes, as well as possibilities for model-free control of the turbine behavior. The second part focuses on the homogenization of the pressure inside a plenum that connects the combustion chambers with the turbine.
The applied methods and results in the first part were validated on the so-called TUPulse. This is a test rig for investigating the system behavior of a plenum-turbine sub-unit of a PDC-based gas turbine. The test rig is intended to imitate the pulsating flow character of the operation of a PDC-based machine and thus allows systematic investigations of pulsed turbine operation. Since the mathematical model of the system behavior has to include the effects of different firing patterns, an adaptation of a subspace identification approach is developed first, which allows the identification of a linear, time-invariant model especially under the restrictions occurring here with regard to the actuation. Based on the assumption that a purely linear model is not sufficient to describe the system behavior exactly, it is also investigated to what extent the turbine behavior can be influenced in a desirable way with a modelfree control approach, specifically with the so-called extremum seeking control. As part of this, control of the work and efficiency of the turbine is investigated by adjusting the firing patterns. Furthermore, efficiency control is realized via a combined actuation consisting of firing patterns and firing frequency. In addition, a possible variant for starting up the gas turbine using extremum seeking control on the firing patterns is considered. Assuming that an homogenization of the plenum pressure can be of essential importance for the successful operation of the turbine, the second part of the thesis focuses on the homogenization of this pressure. The methods developed here were validated on a test rig
that is specifically designed to reproduce the acoustic behavior of the plenum under realistic boundary conditions, the so-called acoustic test rig. The associated experiments therefore mainly look at deviations in pressure from the mean pressure, but are also supplemented by a virtual, dynamic mean pressure component parallel to the actual real dynamics as part of a subtask, which is referred to as a hybrid experiment. In order to minimize the pressure fluctuations in the plenum, a consideration of possible computationally efficient optimal controls for firing patterns is carried out. First, an iterative,
approximate approach for the improvement of firing patterns is developed. This is followed by a reformulation of the only optimal control method for firing patterns known to the author with the purpose of equalizing the pressure fluctuations, which can claim to determine a global optimum. This original formulation is transformed from a mixed-integer solution space into a real-valued one, whereby the global optimum found can be calculated using particle swarm optimization with considerably less time compared to the original approach. Furthermore, an iterative learning control approach is developed for the firing pattern adjustment, which can be used without a previously identified model to achieve pressure homogenization. Finally, a model predictive control is developed based on the so-called sphere-decoding algorithm, which can enable control of the total pressure in the plenum. This is used to determine the optimal next ignition times of the combustion tubes on a considered horizon, explicitly taking into account possible restrictions with regard to the ignition times, such as those that are possible due to refilling of the tubes, for example. Furthermore, the implementation of the approach on an existing Field Programmable Gate Array (FPGA) is investigated and the approach is validated in a hybrid experiment on the test rig.DFG/200291049/SFB 1029: TurbIn - Signifikante Wirkungsgradsteigerung durch gezielte, interagierende Verbrennungs- und Strömungsinstationaritäten in Gasturbine
Towards automatic personalization of speech dialog for enhanced user experience
No full textAs intelligent virtual agents (IVAs) become increasingly integrated into healthcare, their ability to communicate empathetically and adapting to client-specific needs is critical. Yet most current systems rely on generic, neutral language that may limit user engagement, especially in sensitive or emotionally charged contexts. This paper proposes a research agenda toward automatic personalization of speech dialog as one important factor of IVAs — the dynamic adaptation of language style and tone to the individual user — as one important factor of IVAs to improve user experience (UX) and acceptance. We outline a conceptual framework for dialog personalization, identify core challenges, and propose a concept for system architecture and its evaluation. We ground our vision in relevant literature across human-computer interaction, natural language processing, and health communication. To support the feasibility of this direction, we present results from a proof-of-concept study suggesting that personalized speech dialog can significantly enhance user-perceived system response quality of a task-oriented system to fill out medical surveys. This work lays the foundation for developing more effective and personalized voice communication with IVAs in healthcare applications.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202
Presentation time shapes perceived room size in visual and auditory modalities
No full textCross-dimensional interference between spatial and temporal processing provides valuable insights into the neuronal representation of space and time. Previous research has frequently found asymmetric interference patterns, with temporal judgments being more affected by spatial information than vice versa. However, this asymmetry has been attributed to the predominant use of visual paradigms (e.g., participants judge the size or duration of visual stimuli), which might facilitate spatial over temporal processing. It has been suggested that the asymmetry vanishes or even reverses when auditory stimuli are used. To test this assumption, we took advantage of the fact that acoustic reverberation carries information about the physical size of rooms. Participants judged either room size or duration, with stimuli being presented either in the visual (rooms presented in virtual reality) or the auditory modality (reverberation-based sounds). For both modalities, we found that judgments about room size were influenced by irrelevant temporal information, while judgments about duration remained unaffected by irrelevant spatial information. As time judgments were consistently rated as more difficult relative to space judgments, this pattern of interference cannot be explained on the basis of task difficulty. These results demonstrate the flexibility of space–time interference and challenge the assumption that the representation of time is necessarily based on spatial representations.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 2025DFG, 452179073, Age-related changes in time-space interferences and their relation to dysfuntions of the medial temporal lob