ContinuousMultimodal Global Optimization with Differential Evolution-Based Methods

Metaheuristic methods have become increasingly popular approaches in solving global optimization problems. From a practical viewpoint, it is often desirable to perform multimodal optimization which, enables the search of more than one optimal solution to the task at hand. Population-based metaheuristic methods offer a natural basis for multimodal optimization. The topic has received increasing interest especially in the evolutionary computation community. Several niching approaches have been suggested to allow multimodal optimization using evolutionary algorithms. Most global optimization approaches, including metaheuristics, contain global and local search phases. The requirement to locate several optima sets additional requirements for the design of algorithms to be effective in both respects in the context of multimodal optimization. In this thesis, several different multimodal optimization algorithms are studied in regard to how their implementation in the global and local search phases affect their performance in different problems. The study concentrates especially on variations of the Differential Evolution algorithm and their capabilities in multimodal optimization. To separate the global and local search search phases, three multimodal optimization algorithms are proposed, two of which hybridize the Differential Evolution with a local search method. As the theoretical background behind the operation of metaheuristics is not generally thoroughly understood, the research relies heavily on experimental studies in finding out the properties of different approaches. To achieve reliable experimental information, the experimental environment must be carefully chosen to contain appropriate and adequately varying problems. The available selection of multimodal test problems is, however, rather limited, and no general framework exists. As a part of this thesis, such a framework for generating tunable test functions for evaluating different methods of multimodal optimization experimentally is provided and used for testing the algorithms. The results demonstrate that an efficient local phase is essential for creating efficient multimodal optimization algorithms. Adding a suitable global phase has the potential to boost the performance significantly, but the weak local phase may invalidate the advantages gained from the global phase.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Kestomagneettigeneraattorin staattorin mekaanisen rakenteen analysointi ja kehitys

Työssä tutkittiin kestomagneettigeneraattorin staattoriytimen aksiaalisen puristamisen ja lämpötilan vaikutuksia staattorin jännityksiin ja muodonmuutoksiin. Lisäksi tutkittiin aksiaalisen puristusjännityksen vaikutusta staattorin aksiaalisuuntaisen ominaismuodon taajuuteen. Rakenteesta tehtiin elementtimalli, jonka avulla laskettiin rakenteen siirtymät, jännitykset ja ominaistaajuudet. Rakenteen jännityksiä ja siirtymiä tutkittiin myös yksinkertaisella jousikuvauksella, jonka tuloksia verrattiin elementtimallilla saatuihin tuloksiin. Työn tavoitteena oli kehittää uusi staattorirakenne. Elementtimenetelmän tulosten perusteella staattorirakennetta voidaan yksinkertaistaa poistamalla nyt käytetty puristusrengas, jolloin rakenteesta tulee yksinkertaisempi ja kustannustehokkaampi.

Täystehokonvertterin tehohäviöt ja hyötysuhde

Diplomityössä perehdytään tuuliturbineissa käytettyjen täystehokonvertterien tehohäviöihin ja hyötysuhteeseen. Täystehokonvertterissa generaattorin tuottama sähköteho tasasuunnataan hyvällä hyötysuhteella aktiivisella geenraattorisillalla konvertterin välipiiriin ja edelleen vaihtosuunnataan aktiivisella verkkovaihtosuuntaajasillalla siirtoverkkoon. Työn tarkoituksena on antaa yleiskuva tehohäviöiden jakautumisesta ja yksinkertaistaa niiden laskentaa. Häviömekanismit ja häviöiden määräytyminen esitellään pääkomponenttitasolla. Tehohäviöiden osalta keskitytään erityisesti muuntajateräksestä valmistettujen sinisuotimien ja du/dt-suotimien rautahäviöihin. Ongelmana rautahäviöiden määrittämisessä on korkeilla taajuuksilla tapahtuvat häviöt, joiden laskentaan ei ole yleensä saatavilla tarvittavia materiaaliparametrejä. Tehohäviöiden laskentaa varten toteutettu laskentasovellus on esitelty periaatteellisina vuokaavioina ja sovelluksella saatavia tuloksia on esitetty ja vertailtu mitattuihin tuloksiin.

Impedanssisovituksen tarkkailu jännitevälipiirillisessä taajuusmuuttajakäytössä

Invertterikäyttöjen pitkissä kuormakaapeleissa jännitteen aaltomuodossa on havaittavissa ylijännitteitä. Ylijännitteet johtuvat invertterikäytön käyttämien kytkinten ohjaamisesta pulssinleveysmodulaatiolla, niiden nopeista kytkeytymisistä ja itse järjestelmästä. Ylijännitteet ovat haitallisia järjestelmässä, joten niitä pyritään estämään esim. suodattamalla. Yksi käytännön sovellus sähkökoneen suotimena on RC-suodin. RC-suotimen toimintakyvyn aleneminen on kuitenkin oletettavaa, joten sähkökone altistuu tällöin ylijännitteille. Mittaamalla RC-suotimen kuntoa voidaan valvoa generaattorin kokemia ylijännitteitä. Työssä tarkastellaan järjestelmän häiriöitä ja ylijännitteitä, RC-suodinta sekä suotimen vajaatoimintatiloja, ja kehitetään mittaus tarkkailemaan vajaatoimintaa.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Web-käyttöliittymän ajonaikainen parametripohjainen luominen

Työssä tutkitaan eri tekniikoita, joilla web-käyttöliittymä voidaan toteuttaa. Tutkituista tekniikoista valitaan työn tavoitteisiin ja rajoitteisiin parhaiten soveltuvat tekniikat, joita käytetään hyväksi luotaessa varsinainen käyttöliittymäkerros olemassa olevalle web-sovellukselle. Varsinaiset käyttöliittymät luodaan automaattisesti työn aikana toteutettavalla käyttöliittymägeneraattorilla, joka käyttää hyväkseen käyttöliittymiä kuvaavia XML-kuvaustiedostoja. Tekniikoista parhaiten tarpeisiimme soveltui AJAX-lähestymistapa, joka mahdollistaa sivun osittaisen päivittämisen ja täten työpöytäsovellusmaisemman käytettävyyden nopeamman sivun päivityksen vuoksi. Käyttöliittymägeneraattorin käyttämät kuvaustiedostot puolestaan mahdollistavat käyttöliittymäkontrollien valmiin mallintamisen yleisessä kontrollikuvaustiedostossa sekä niiden helpon muokkaamisen ja sijoittelun sivu-kohtaisesti. Lisäksi käyttöliittymäkerros sisältää monipuoliset käyttöliittymäkontrollit.

Permanent Magnet Synchronous Machine for Parallel Hybrid Vehicle

The aim of this thesis is to describe hybrid drive design problems, the advantages and difficulties related to the drive. A review of possible hybrid constructions, benefits of parallel, series and series-parallel hybrids is done. In the thesis analytical and finite element calculations of permanent magnet synchronous machines with embedded magnets were done. The finite element calculations were done using Cedrat’s Flux 2D software. This machine is planned to be used as a motor-generator in a low power parallel hybrid vehicle. The boundary conditions for the design were found from Lucas-TVS Ltd., India. Design Requirements, briefly: • The system DC voltage level is 120 V, which implies Uphase = 49 V (RMS) in a three phase system. • The power output of 10 kW at base speed 1500 rpm (Torque of 65 Nm) is desired. • The maximum outer diameter should not be more than 250 mm, and the maximum core length should not exceed 40 mm. The main difficulties which the author met were the dimensional restrictions. After having designed and analyzed several possible constructions they were compared and the final design selected. Dimensioned and detailed design is performed. Effects of different parameters, such as the number of poles, number of turns and magnetic geometry are discussed. The best modification offers considerable reduction of volume.

Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Painevesilaitosten höyrystinkonstruktioiden vertailu

Tässä kirjallisuustyössä tutustutaan kolmeen kaupallisissa painevesilaitoksissa käytettyyn höyrystinkonstruktioon: U-putkipystyhöyrystimeen, U-putkivaakahöyrystimeen ja läpivirtaushöyrystimeen. Työssä tutustutaan näiden ratkaisujen erityispiirteisiin ja vertaillaan niitä keskenään.

Tool-supported invariant-based programming

The development of correct programs is a core problem in computer science. Although formal verification methods for establishing correctness with mathematical rigor are available, programmers often find these difficult to put into practice. One hurdle is deriving the loop invariants and proving that the code maintains them. So called correct-by-construction methods aim to alleviate this issue by integrating verification into the programming workflow. Invariant-based programming is a practical correct-by-construction method in which the programmer first establishes the invariant structure, and then incrementally extends the program in steps of adding code and proving after each addition that the code is consistent with the invariants. In this way, the program is kept internally consistent throughout its development, and the construction of the correctness arguments (proofs) becomes an integral part of the programming workflow. A characteristic of the approach is that programs are described as invariant diagrams, a graphical notation similar to the state charts familiar to programmers. Invariant-based programming is a new method that has not been evaluated in large scale studies yet. The most important prerequisite for feasibility on a larger scale is a high degree of automation. The goal of the Socos project has been to build tools to assist the construction and verification of programs using the method. This thesis describes the implementation and evaluation of a prototype tool in the context of the Socos project. The tool supports the drawing of the diagrams, automatic derivation and discharging of verification conditions, and interactive proofs. It is used to develop programs that are correct by construction. The tool consists of a diagrammatic environment connected to a verification condition generator and an existing state-of-the-art theorem prover. Its core is a semantics for translating diagrams into verification conditions, which are sent to the underlying theorem prover. We describe a concrete method for 1) deriving sufficient conditions for total correctness of an invariant diagram; 2) sending the conditions to the theorem prover for simplification; and 3) reporting the results of the simplification to the programmer in a way that is consistent with the invariantbased programming workflow and that allows errors in the program specification to be efficiently detected. The tool uses an efficient automatic proof strategy to prove as many conditions as possible automatically and lets the remaining conditions be proved interactively. The tool is based on the verification system PVS and i uses the SMT (Satisfiability Modulo Theories) solver Yices as a catch-all decision procedure. Conditions that were not discharged automatically may be proved interactively using the PVS proof assistant. The programming workflow is very similar to the process by which a mathematical theory is developed inside a computer supported theorem prover environment such as PVS. The programmer reduces a large verification problem with the aid of the tool into a set of smaller problems (lemmas), and he can substantially improve the degree of proof automation by developing specialized background theories and proof strategies to support the specification and verification of a specific class of programs. We demonstrate this workflow by describing in detail the construction of a verified sorting algorithm. Tool-supported verification often has little to no presence in computer science (CS) curricula. Furthermore, program verification is frequently introduced as an advanced and purely theoretical topic that is not connected to the workflow taught in the early and practically oriented programming courses. Our hypothesis is that verification could be introduced early in the CS education, and that verification tools could be used in the classroom to support the teaching of formal methods. A prototype of Socos has been used in a course at Åbo Akademi University targeted at first and second year undergraduate students. We evaluate the use of Socos in the course as part of a case study carried out in 2007.

Laitosmittaukset turbiinilaitoksen suorituskyvyn seurantaan ydinvoimalaitoksen vuosihuoltojen yhteydessä

Työssä kehitettiin höyryvoimalaitosprosessin tilan seurantaan laitosmittausrutiini, jolla tarkastellaan erityisesti turbiinilaitoksen suorituskykyä ennen ja jälkeen vuosihuoltojen. Laitosmittaukset on kehitetty Teollisuuden Voima Oyj:n Olkiluodon ydinvoimalaitosyksikköjen OL1 ja OL2 tarpeisiin. Mittauksilla saadaan tietoa vuosihuollon kokonaisvaikutuksista prosessiin eli muuttuiko mikään vuosihuollon aikana ja mitkä syyt johtivat muutokseen. Lisäksi säännöllisillä mittauksilla tavoitellaan pitkän aikavälin referenssitietoa prosessin tilasta. Esimerkkimittaukset tehtiin kevään 2008 vuosihuolloissa, R108 ja R208. Työssä on esitetty mittausten suorittaminen, tulosten laskenta ja tarkastelu sekä raportointi. Luotu mittausrutiini pohjautuu höyryturbiinien ja lämmönsiirtimien vastaanottokokeita käsitteleviin standardeihin sekä laitosten viimeisimpiin prosessimuutosten yhteydessä toteutettuihin suorituskykymittauksiin. Laitosmittauksista tehtiin vastaanottokokeita kevyemmät ja yksinkertaisemmat mittaustapahtumat, joilla saadaan kuitenkin riittävän luotettavaa tietoa. Tunnuslukuja, joita ei käytettävissä olevien mittatietojen avulla saatu suoraan selville tai laskettua massa- ja energiataseilla, määritettiin stationaarisen tilan mallinnusohjelmalla TEMPO:lla. Esimerkkimittaukset sujuivat hyvin ja saadut tulokset antoivat kaivattua lisätietoa vuosihuollon vaikutuksesta prosessiin. Generaattorin bruttoteho aleni OL1:llä ja pysyi ennallaan OL2:lla. OL1:n tehon aleneminen selittyi syöttöveden virtausmäärän vähenemisellä, johon vaikutti virtausmittalaitteen lähettimen vaihto. OL2:lla ei havaittu turbiiniprosessissa muutoksia, mutta lauhduttimien suorituskyky parani. Lauhduttimien suorituskyvyn paraneminen ilmeni asteisuuksien pienentymisenä, johon vaikuttivat puhdistaminen ja ilmavuotojen väheneminen.

Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Comparison and Evaluation of Eddy Current Sensors

In the work eddy current sensors are described and evaluated. Theoretical part includes physical basics of the eddy currents, overview of available commercial products and technologies. Industrial sensors operation was assessed based on several working modes. Apart from this, the model was created in Matlab Simulink with Xilinx Blockset and then translated into a Xilinx ISE Design Suite compatible project. The performance of the resulting implementation was compared to the existing implementation in the Xilinx Spartan 3 FPGA board with the custom made sensor. Additionally, an introduction to FPGAs and VHDL is presented.

Lämmöntalteenottokattilan lämpötekninen mitoitus

Kandidaatintyön tavoitteena oli laatia mitoitussovellus KPA Unicon Oy:lle, jolla voidaan arvioida lämmöntalteenottokattilasta saatavaa tehoa sekä tarvittavaa lämmönsiirtopinta-alaa. Mitoitussovellus laadittiin yksipaineisen kattilan mitoitusta varten ja sitä on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa. Laskentasovelluksen laatimista varten tässä kandidaatintyössä käsitellään kaasuturbiinin jälkeistä lämmöntalteenottokattilaa ja sen mitoittamista. Erityisesti huomiota kiinnitetään yleisiin suunnitteluperiaatteisiin ja lämpötekniseen mitoittamiseen. Työssä esitetään tyypillisiä suunnitteluarvoja, rakenteita sekä laskentamenetelmiä, joiden avulla lämmöntalteenottokattila voidaan mitoittaa.