Design and Comparison оf Mixed Hinf/H2 Controller fоr АMB System

This master’s thesis is focused on the active magnetic bearings control, specifically the robust control. As carrying out of such kind of control used mixed H2/Hinf controller. So the goal of this work is to design it using Robust Control Toolbox™ in MATLAB and compare it performance and robustness with Hinf robust controller characteristics. But only one degree-of-freedom controller considered.

Paperikoneen hyötysuhteen parantaminen kunnossapidon keinoin

Stora Enson Kotkan tehtaiden paperikone yksi on pieni erikoislaatuja tekevä paperikone, jonka hy6tysuhteen parantamiseen on etsitty keinoja kunnossapidon toimesta. Kansainvälisen kilpailun kiristyessä sekä raaka aineiden ja energian kallistuessa paperikoneen hy6tysuhteen tulee olla korkealla tasolla. Tämän diplomity6n kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti kunnossapidon käsitteisiin ja toimintatapoihin. Vikaantumisen osiossa on pyritty l6ytamaan mekanismi laakereiden vikaantumiseen ja kunnonvalvonnalla keinot laakereiden vikaantumisen ehkäisyyn. Työn käytännön osiossa tutkittiin paperikoneen häiriökirjauksia vuosilta 2006 ja 2007 tehtaan toiminnanohjausjärjestelmistä. Samanaikaisesti selvitettiin toimenpidekirjauksia ja tehtyjä korjauksia samoihin kohteisiin, joissa vikaantumista tapahtuu. Tavoitteena oli selvittää syyt suuriin hairi6seisokkiaikoihin sekä analysoida suunniteltujen ja suunnittelemattomien seisokkien suhdetta. Tutkimuksessa havaittiin häiriökirjauksien puutteellisuus ja kirjauksien merkitys häiriöiden ennaltaehkäisyssä.

Maritime Safety in the Gulf of Finland. Review on Policy Instruments

Suomenlahden lisääntynyt meriliikenne on herättänyt huolta meriliikenteen turvallisuuden tasosta, ja erityisesti Venäjän öljyviennin kasvu on lisännyt öljyonnettomuuden todennäköisyyttä Suomenlahdella. Erilaiset kansainväliset, alueelliset ja kansalliset ohjauskeinot pyrkivät vähentämään merionnettomuuden riskiä ja meriliikenteen muita haittavaikutuksia. Tämä raportti käsittelee meriturvallisuuden yhteiskunnallisia ohjauskeinoja: ohjauskeinoja yleisellä tasolla, meriturvallisuuden keskeisimpiä säätelijöitä, meriturvallisuuden ohjauskeinoja ja meriturvallisuuspolitiikan tulevaisuuden näkymiä, ohjauskeinojen tehokkuutta ja nykyisen meriturvallisuuden ohjausjärjestelmän heikkouksia. Raportti on kirjallisuuskatsaus meriturvallisuuden yhteiskunnalliseen sääntelyn rakenteeseen ja tilaan erityisesti Suomenlahden meriliikenteen näkökulmasta. Raportti on osa tutkimusprojektia ”SAFGOF - Suomenlahden meriliikenteen kasvunäkymät 2007 - 2015 ja kasvun vaikutukset ympäristölle ja kuljetusketjujen toimintaan” ja sen työpakettia 6 ”Keskeisimmät riskit ja yhteiskunnalliset vaikutuskeinot”. Yhteiskunnalliset ohjauskeinot voidaan ryhmitellä hallinnollisiin, taloudellisiin ja tietoohjaukseen perustuviin ohjauskeinoihin. Meriturvallisuuden edistämisessä käytetään kaikkia näitä, mutta hallinnolliset ohjauskeinot ovat tärkeimmässä asemassa. Merenkulun kansainvälisen luonteen vuoksi meriturvallisuuden sääntely tapahtuu pääosin kansainvälisellä tasolla YK:n ja erityisesti Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) toimesta. Lisäksi myös Euroopan Unionilla on omaa meriturvallisuuteen liittyvää sääntelyä ja on myös olemassa muita alueellisia meriturvallisuuden edistämiseen liittyviä elimiä kuten HELCOM. Joitakin meriturvallisuuden osa-alueita säädellään myös kansallisella tasolla. Hallinnolliset meriturvallisuuden ohjauskeinot sisältävät aluksen rakenteisiin ja varustukseen, alusten kunnon valvontaan, merimiehiin ja merityön tekemiseen sekä navigointiin liittyviä ohjauskeinoja. Taloudellisiin ohjauskeinoihin kuuluvat esimerkiksi väylä- ja satamamaksut, merivakuutukset, P&I klubit, vastuullisuus- ja korvauskysymykset sekä taloudelliset kannustimet. Taloudellisten ohjauskeinojen käyttö meriturvallisuuden edistämiseen on melko vähäistä verrattuna hallinnollisten ohjauskeinojen käyttöön, mutta niitä voitaisiin varmasti käyttää enemmänkin. Ongelmana taloudellisten ohjauskeinojen käytössä on se, että ne kuuluvat pitkälti kansallisen sääntelyn piiriin, joten alueellisten tai kansainvälisten intressien edistäminen taloudellisilla ohjauskeinoilla voi olla hankalaa. Tieto-ohjaus perustuu toimijoiden vapaaehtoisuuteen ja yleisen tiedotuksen lisäksi tieto-ohjaukseen sisältyy esimerkiksi vapaaehtoinen koulutus, sertifiointi tai meriturvallisuuden edistämiseen tähtäävät palkinnot. Poliittisella tasolla meriliikenteen aiheuttamat turvallisuusriskit Suomenlahdella on otettu vakavasti ja paljon työtä tehdään eri tahoilla riskien minimoimiseksi. Uutta sääntelyä on odotettavissa etenkin liittyen meriliikenteen ympäristövaikutuksiin ja meriliikenteen ohjaukseen kuten meriliikenteen sähköisiin seurantajärjestelmiin. Myös inhimilliseen tekijän merkitykseen meriturvallisuuden kehittämisessä on kiinnitetty lisääntyvissä määrin huomiota, mutta inhimilliseen tekijän osalta tehokkaiden ohjauskeinojen kehittäminen näyttää olevan haasteellista. Yleisimmin lääkkeeksi esitetään koulutuksen kehittämistä. Kirjallisuudessa esitettyjen kriteereiden mukaan tehokkaiden ohjauskeinojen tulisi täyttää seuraavat vaatimukset: 1) tarkoituksenmukaisuus – ohjauskeinojen täytyy olla sopivia asetetun tavoitteen saavuttamiseen, 2) taloudellinen tehokkuus – ohjauskeinon hyödyt vs. kustannukset tulisi olla tasapainossa, 3) hyväksyttävyys – ohjauskeinon täytyy olla hyväksyttävä asianosaisten ja myös laajemman yhteiskunnan näkökulmasta katsottuna, 4) toimeenpano – ohjauskeinon toimeenpanon pitää olla mahdollista ja sen noudattamista täytyy pystyä valvomaan, 5) lateraaliset vaikutukset – hyvällä ohjauskeinolla on positiivisia seurannaisvaikutuksia muutoinkin kuin vain ohjauskeinon ensisijaisten tavoitteiden saavuttaminen, 6) kannustin ja uuden luominen – hyvä ohjauskeino kannustaa kokeilemaan uusia ratkaisuja ja kehittämään toimintaa. Meriturvallisuutta koskevaa sääntelyä on paljon ja yleisesti ottaen merionnettomuuksien lukumäärä on ollut laskeva viime vuosikymmenien aikana. Suuri osa sääntelystä on ollut tehokasta ja parantanut turvallisuuden tasoa maailman merillä. Silti merionnettomuuksia ja muita vaarallisia tapahtumia sattuu edelleen. Nykyistä sääntelyjärjestelmää voidaan kritisoida monen asian suhteen. Kansainvälisen sääntelyn aikaansaaminen ei ole helppoa: prosessi on yleensä hidas ja tuloksena voi olla kompromissien kompromissi. Kansainvälinen sääntely on yleensä reaktiivista eli ongelmakohtiin puututaan vasta kun jokin onnettomuus tapahtuu sen sijaan että se olisi proaktiivista ja pyrkisi puuttumaan ongelmakohtiin jo ennen kuin jotain tapahtuu. IMO:n työskentely perustuu kansallisvaltioiden osallistumiseen ja sääntelyn toimeenpano tapahtuu lippuvaltioiden toimesta. Kansallisvaltiot ajavat IMO:ssa pääasiallisesti omia intressejään ja sääntelyn toimeenpanossa on suuria eroja lippuvaltioiden välillä. IMO:n kyvyttömyys puuttua havaittuihin ongelmiin nopeasti ja ottaa sääntelyssä huomioon paikallisia olosuhteita on johtanut siihen, että esimerkiksi Euroopan Unioni on alkanut itse säädellä meriturvallisuutta ja että on olemassa sellaisia alueellisia erityisjärjestelyjä kuin PSSA (particularly sensitive sea area – erityisen herkkä merialue). Merenkulkualalla toimii monenlaisia yrityksiä: toisaalta yrityksiä, jotka pyrkivät toimimaan turvallisesti ja kehittämään turvallisuutta vielä korkeammalle tasolle, ja toisaalta yrityksiä, jotka toimivat niin halvalla kuin mahdollista, eivät välitä turvallisuusseikoista, ja joilla usein on monimutkaiset ja epämääräiset omistusolosuhteet ja joita vahingon sattuessa on vaikea saada vastuuseen. Ongelma on, että kansainvälisellä merenkulkualalla kaikkien yritysten on toimittava samoilla markkinoilla. Vastuuttomien yritysten toiminnan mahdollistavat laivaajat ja muut alan toimijat, jotka suostuvat tekemään yhteistyötä niiden kanssa. Välinpitämätön suhtautuminen turvallisuuteen johtuu osaksi myös merenkulun vanhoillisesta turvallisuuskulttuurista. Verrattaessa meriturvallisuuden sääntelyjärjestelmää kokonaisuutena tehokkaiden ohjauskeinoihin kriteereihin, voidaan todeta, että monien kriteerien osalta nykyistä järjestelmää voidaan pitää tehokkaana ja onnistuneena. Suurimmat ongelmat lienevät sääntelyn toimeenpanossa ja ohjauskeinojen kustannustehokkuudessa. Lippuvaltioiden toimeenpanoon perustuva järjestelmä ei toimi toivotulla tavalla, josta mukavuuslippujen olemassa olo on selvin merkki. Ohjauskeinojen, sekä yksittäisten ohjauskeinojen että vertailtaessa eri ohjauskeinoja keskenään, kustannustehokkuutta on usein vaikea arvioida, minkä seurauksena ohjauskeinojen kustannustehokkuudesta ei ole saatavissa luotettavaa tietoa ja tuloksena voi olla, että ohjauskeino on käytännössä pienen riskin eliminoimista korkealla kustannuksella. Kansainvälisen tason meriturvallisuus- (ja merenkulku-) politiikan menettelytavoiksi on ehdotettu myös muita vaihtoehtoja kuin nykyinen järjestelmä, esimerkiksi monitasoista tai polysentristä hallintojärjestelmää. Monitasoisella hallintojärjestelmällä tarkoitetaan järjestelmää, jossa keskushallinto on hajautettu sekä vertikaalisesti alueellisille tasoille että horisontaalisesti ei-valtiollisille toimijoille. Polysentrinen hallintojärjestelmä menee vielä askeleen pidemmälle. Polysentrinen hallintojärjestelmä on hallintotapa, jonka puitteissa kaikentyyppiset toimijat, sekä yksityiset että julkiset, voivat osallistua hallintoon, siis esimerkiksi hallitukset, edunvalvontajärjestöt, kaupalliset yritykset jne. Kansainvälinen lainsäädäntö määrittelee yleiset tasot, mutta konkreettiset toimenpiteet voidaan päättää paikallisella tasolla eri toimijoiden välisessä yhteistyössä. Tämän tyyppisissä hallintojärjestelmissä merenkulkualan todellinen, kansainvälinen mutta toisaalta paikallinen, toimintaympäristö tulisi otetuksi paremmin huomioon kuin järjestelmässä, joka perustuu kansallisvaltioiden keskenään yhteistyössä tekemään sääntelyyn. Tällainen muutos meriturvallisuuden hallinnassa vaatisi kuitenkin suurta periaatteellista suunnanmuutosta, jollaisen toteutumista ei voi pitää kovin todennäköisenä ainakaan lyhyellä tähtäimellä.

Laakerikipinöintilaskurin toteuttaminen FPGA- piirillä

FPGA- piirit ovat viime vuosina kehittyneet tehokkaammiksi, mutta samalla niiden hinta on laskenut tasolle, jolloin ne ovat vaihtoehto yhä useampiin sovelluksiin. Kandidaatintyöni aiheena oli suunnitella ja mahdollisesti toteuttaa sulautettu laite, joka laskisi signaalissa esiintyvien pulssien lukumäärää. Sitä käytettäisiin mitattaessa kipinöintiä sähkömoottorin laakeroinnissa. Kipinät havaitaan moottorin ulkopuolelta UHF- antennilla. Antennisignaalista poimittavat pulssit ovat hyvin nopeita, joten digitaaliselta logiikalta vaaditaan myös erityistä nopeutta. Tämän takia laitetta lähdettiin toteuttamaan esimerkiksi mikrokontrollerin sijasta FPGA- piirin avulla. Pulssilaskurin toteutus onnistui suhteellisen vaivattomasti FPGAlla, ja sen toimivuutta käytännössä päästiin testaamaan todellisissa olosuhteissa.

Distortion properties of quasiconformal maps

In this Licentiate thesis we investigate the absolute ratio δ, j, ˜j and hyperbolic ρ metrics and their relations with each other. Various growth estimates are given for quasiconformal mpas both in plane and space. Some Hölder constants were refined with respect δ, j ˜j metrics. Some new results regarding the Hölder continuity of quasiconformal and quasiregular mapping of unit ball with respect to Euclidean and hyperbolic metrics are given, which were obtained by many authors in 1980’s. Applications are given to the study of metric space, quasiconformal and quasiregular maps in the plane and as well as in the space.

Multilevel converter modulation: implementation and analysis

Multilevel converters provide an attractive solution to bring the benefits of speed-controlled rotational movement to high-power applications. Therefore, multilevel inverters have attracted wide interest in both the academic community and in the industry for the past two decades. In this doctoral thesis, modulation methods suitable especially for series connected H-bridge multilevel inverters are discussed. A concept of duty cycle modulation is presented and its modification is proposed. These methods are compared with other well-known modulation schemes, such as space-vector pulse width modulation and carrier-based modulation schemes. The advantage of the modified duty-cycle modulation is its algorithmic simplicity. A similar mathematical formulation for the original duty cycle modulation is proposed. The modified duty cycle modulation is shown to produce well-formed phase-to-neutral voltages that have lower total harmonic distortion than the space-vector pulse width modulation and the duty cycle modulation. The space-vector-based solution and the duty cycle modulation, on the other hand, result in a better-quality line-to-line voltage and current waveform. The voltage of the DC links in the modules of the series-connected H-bridge inverter are shown to fluctuate while they are under load. The fluctuation causes inaccuracies in the voltage production, which may result in a failure of the flux estimator in the controller. An extension for upper-level modulation schemes, which changes the switching instants of the inverter so that the output voltage meets the reference voltage accurately regardless of the DC link voltages, is proposed. The method is shown to reduce the error to a very low level when a sufficient switching frequency is used. An appropriate way to organize the switching instants of the multilevel inverter is to make only one-level steps at a time. This causes restrictions on the dynamical features of the modulation schemes. The produced voltage vector cannot be rotated several tens of degrees in a single switching period without violating the above-mentioned one-level-step rule. The dynamical capabilities of multilevel inverters are analyzed in this doctoral thesis, and it is shown that the multilevel inverters are capable of operating even in dynamically demanding metal industry applications. In addition to the discussion on modulation schemes, an overvoltage in multilevel converter drives caused by cable reflection is addressed. The voltage reflection phenomenon in drives with long feeder cables causes premature insulation deterioration and also affects the commonmode voltage, which is one of the main reasons for bearing currents. Bearing currents, on the other hand, cause fluting in the bearings, which results in premature bearing failure. The reflection phenomenon is traditionally prevented by filtering, but in this thesis, a modulationbased filterless method to mitigate the overvoltage in multilevel drives is proposed. Moreover, the mitigation method can be implemented as an extension for upper-level modulation schemes. The method exploits the oscillations caused by two consecutive voltage edges so that the sum of the oscillations results in a mitigated peak of the overvoltage. The applicability of the method is verified by simulations together with experiments with a full-scale prototype.

Numerical modelling of small supersonic axial flow turbines

Supersonic axial turbine stages typically exhibit lower efficiencies than subsonic axial turbine stages. One reason for the lower efficiency is the occurrence of shock waves. With higher pressure ratios the flow inside the turbine becomes relatively easily supersonic if there is only one turbine stage. Supersonic axial turbines can be designed in smaller physical size compared to subsonic axial turbines of same power. This makes them good candidates for turbochargers in large diesel engines, where space can be a limiting factor. Also the production costs are lower for a supersonic axial turbine stage than for two subsonic stages. Since supersonic axial turbines are typically low reaction turbines, they also create lower axial forces to be compensated with bearings compared to high reaction turbines. The effect of changing the stator-rotor axial gap in a small high (rotational) speed supersonic axial flow turbine is studied in design and off-design conditions. Also the effect of using pulsatile mass flow at the supersonic stator inlet is studied. Five axial gaps (axial space between stator and rotor) are modeled using threedimensional computational fluid dynamics at the design and three axial gaps at the off-design conditions. Numerical reliability is studied in three independent studies. An additional measurement is made with the design turbine geometry at intermediate off-design conditions and is used to increase the reliability of the modelling. All numerical modelling is made with the Navier-Stokes solver Finflo employing Chien’s k ¡ ² turbulence model. The modelling of the turbine at the design and off-design conditions shows that the total-to-static efficiency of the turbine decreases when the axial gap is increased in both design and off-design conditions. The efficiency drops almost linearily at the off-design conditions, whereas the efficiency drop accelerates with increasing axial gap at the design conditions. The modelling of the turbine stator with pulsatile inlet flow reveals that the mass flow pulsation amplitude is decreased at the stator throat. The stator efficiency and pressure ratio have sinusoidal shapes as a function of time. A hysteresis-like behaviour is detected for stator efficiency and pressure ratio as a function of inlet mass flow, over one pulse period. This behaviour arises from the pulsatile inlet flow. It is important to have the smallest possible axial gap in the studied turbine type in order to maximize the efficiency. The results for the whole turbine can also be applied to some extent in similar turbines operating for example in space rocket engines. The use of a supersonic stator in a pulsatile inlet flow is shown to be possible.

Haljennut habitus : Bourdieun viimeisiksi jääneet omakohtaiset teokset englanninkielisinä käännöksinä

Kirjallisuusarvostelu

The history of Lapland : containing a geographical description, and a natural history of that country; with an account of the inhabitants, their original, religion, customs, habits, marriages, conjurations, employments, &c. Written by John Scheffer, ... Translated from the last edition in Latin, and illustrated with many curious copper-cutts. To which are added, the travels of the King of Sweden's mathematicians into Lapland: the history of Livonia, and the wars there: also a journey into Lapland, Finland, &c. Written by Dr. Olof Rudbeck in the year 1701

Added engraved title page: The history of Lapland.

Methodology for an AMB system commissioning

This master’s thesis is focused on the active magnetic bearings system commissioning. The scope of the work is to test the existent procedures with old and new prototypes of an AMB system and additionally automate necessary steps instead of their hand tuning, because determination of rotor clearances and finding effective rotor-origins are time consuming and error prone. The final goal is to get a documented and mostly automated step by step methodology for end efficient system’s commissioning.

Broadband excitation in the system identification of active magnetic bearing rotor systems

One of the targets of the climate and energy package of the European Union is to increase the energy efficiency in order to achieve a 20 percent reduction in primary energy use compared with the projected level by 2020. The energy efficiency can be improved for example by increasing the rotational speed of large electrical drives, because this enables the elimination of gearboxes leading to a compact design with lower losses. The rotational speeds of traditional bearings, such as roller bearings, are limited by mechanical friction. Active magnetic bearings (AMBs), on the other hand, allow very high rotational speeds. Consequently, their use in large medium- and high-speed machines has rapidly increased. An active magnetic bearing rotor system is an inherently unstable, nonlinear multiple-input, multiple-output system. Model-based controller design of AMBs requires an accurate system model. Finite element modeling (FEM) together with the experimental modal analysis provides a very accurate model for the rotor, and a linearized model of the magneticactuators has proven to work well in normal conditions. However, the overall system may suffer from unmodeled dynamics, such as dynamics of foundation or shrink fits. This dynamics can be modeled by system identification. System identification can also be used for on-line diagnostics. In this study, broadband excitation signals are adopted to the identification of an active magnetic bearing rotor system. The broadband excitation enables faster frequency response function measurements when compared with the widely used stepped sine and swept sine excitations. Different broadband excitations are reviewed, and the random phase multisine excitation is chosen for further study. The measurement times using the multisine excitation and the stepped sine excitation are compared. An excitation signal design with an analysis of the harmonics produced by the nonlinear system is presented. The suitability of different frequency response function estimators for an AMB rotor system are also compared. Additionally, analytical modeling of an AMB rotor system, obtaining a parametric model from the nonparametric frequency response functions, and model updating are discussed in brief, as they are key elements in the modeling for a control design. Theoretical methods are tested with a laboratory test rig. The results conclude that an appropriately designed random phase multisine excitation is suitable for the identification of AMB rotor systems.

AMB system for high-speed motors using automatic commissioning

The general trend towards increasing e ciency and energy density drives the industry to high-speed technologies. Active Magnetic Bearings (AMBs) are one of the technologies that allow contactless support of a rotating body. Theoretically, there are no limitations on the rotational speed. The absence of friction, low maintenance cost, micrometer precision, and programmable sti ness have made AMBs a viable choice for highdemanding applications. Along with the advances in power electronics, such as signi cantly improved reliability and cost, AMB systems have gained a wide adoption in the industry. The AMB system is a complex, open-loop unstable system with multiple inputs and outputs. For normal operation, such a system requires a feedback control. To meet the high demands for performance and robustness, model-based control techniques should be applied. These techniques require an accurate plant model description and uncertainty estimations. The advanced control methods require more e ort at the commissioning stage. In this work, a methodology is developed for an automatic commissioning of a subcritical, rigid gas blower machine. The commissioning process includes open-loop tuning of separate parts such as sensors and actuators. The next step is to apply a system identi cation procedure to obtain a model for the controller synthesis. Finally, a robust model-based controller is synthesized and experimentally evaluated in the full operating range of the system. The commissioning procedure is developed by applying only the system components available and a priori knowledge without any additional hardware. Thus, the work provides an intelligent system with a self-diagnostics feature and an automatic commissioning.