NURBS toolbox for Matlab

NURBS are widely used parametric approximation curves or surfaces. NURBS can be applied to the many applications. Examples of these applications are some computeraided design applications and some medical applications. Use of NURBS is very intuitive. The objective of this work was to implement the NURBS toolbox in the Matlab environment. Matlab is a program for many kinds of computational purposes. Matlab is also a programming language. NURBS toolbox implemented in this work offers a user an opportunity to use functions of this toolbox as parts of the user’s own programs. Current version of NURBS toolbox includes functions for NURBS curve and surface evaluation. The toolbox is designed such, that it allows extensions and enhancements in the future.

Mittausdatan havainnollistaminen MATLAB animaationa

The visualization of measurement data is important in the fields of engineering for research analysis and presentation purposes. A suitable visualization method for scientific visualization is needed when handling measurement data. Visualization methods and techniques will be presented throughout this work. They are the bases of scientific visualization from the abstract visualization process to the applied techniques suited for each situation. This work also proposes a visualization tool using the MATLAB® software. The tool was designed as general as possible to encompass the most needs in terms of measurement data visualization. It offers possibilities for both static and dynamic visualization of the data.

Maston ympärille asennetun antenniryhmän säteilykuvion laskeminen

Tämän insinöörityön tavoitteena oli tehdä MATLAB-sovellus, jolla voidaan laskea ja tulostaa yleisradiotoiminnassa käytettävien dipolipaneeliantennien säteilykuvioita. Toinen tavoite oli saattaa tämän työn valvojan Antti Koivumäen vuoden 1980 diplomityön laskenta ja grafiikka modernimmalle tasolle. Aluksi työssä tarkasteltiin yleisiä asioita VHF- ja UHF-taajuuksien lähetystavoista ja lähetinantennityypeistä. Alussa käytiin läpi myös antennijoukon ja -ryhmän käsite. Seuraavaksi tutustuttiin tarkemmin lähetinantennien rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Antennien ominaisuuksista tarkasteltiin säteilykuviota, suuntaavuutta, vahvistusta, hyötysuhdetta ja polarisaatiota. Näistä säteilykuvio oli tarkimman tutkinnan kohteena. Säteilykuvion laskeminen esitettiin kaavojen ja havainnoillistavien kuvien avulla. Lopuksi perehdyttiin antennin säteilykuvion laskemiseen tietokoneella, etenkin MATLABilla. Osuudessa tarkasteltiin graafisen käyttöliittymän tekemistä, laskennan suorittamista ja horisontaalisen säteilykuvion esittämistä graafisesti. Työn tuloksena saatiin tehdyksi MATLAB-sovellus, joka laskee elementtiantennin horisontaalisen säteilykuvion annettujen parametrien avulla ja tulostaa sen.

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

Kosketukseton hitsin pintageometrian määrittäminen

Yleisesti tiedetään hitsin pintageometrian vaikuttavan rakenteen väsymislujuuteen. Nopean, edullisen ja luotettavan pintageometrian mittausmenetelmän kehittäminen on askel kohti tarkempaa ja varmempaa rakenteen väsymislujuuden tarkastelua. Tässä työssä on tutkittu hitsejä, joiden pinnan geometria on mitattu norjalaisen SINTEF -yrityksen kehittämällä rakenteellisen valon menetelmällä. Osana työtä kehitettiin MatLab -pohjainen ohjelma, jolla jälkikäsitellään mittauksesta saadut x-y-z -mittapisteet. Mittausdatan jälkikäsittelyssä saadaan mittauksesta määritettyähitsin reunan pyöristys, liittymäkulma, a-mitta, reunahaava ja kateettisuhde. Kehitettyä menetelmää käyttämällä mitattiin lähes 300 voimaakantamatontaristiliitoksen hitsiä. Mittaustuloksia verrattiin vastaavista kappaleista tehtyihin hiemittauksiin. Manuaalisen hieestä tehdyn mittauksen havaittiin olevan tarkempi ja pystyttiin havaitsemaan paikallisempia muotoja. Rakenteellisen valon mittauksissa tapahtunut heijastelu saatiin pienenemään käsittelemällä mitattava pinta mattavalkoisella maalilla. Rakenteellisen valon mittatarkkuudeksi saatiin noin 0,2 mm. Pohjautuen mitattuun hitsin reunan pyöristykseen ja liittymäkulmaan voidaan yksinkertaista kaavaa käyttämällä laskea hitsin jännityskonsentraatio ja näin saada alkuarvaus väsymislujuudelle. Myös muiden tekijöiden tiedetään vaikuttavan hitsin väsymislujuuteen, joten pyöristyksen ja liittymäkulman avulla tehdyt arviot eivät ole absoluuttisen oikeita. Tämä havaittiin väsytyskokeilla, joista yhdessä väsymisvaurio ei syntynyt suurimmankaan jännityskonsentraation alueella.

Rakenteellisen jouston kuvaus reaaliaikasimuloinnissa

Työn tavoitteena oli tuottaa rakenteellisen jouston huomioiva monikappaledynmiikan simulointiohjelma Matlab-ympäristöön. Rakenteellinen jousto huomioitiin kelluvan koordinaatiston menetelmällä ja joustavuutta kuvaavat muodot ratkaistiin elementtimenetelmällä. Tehdyn ohjelman avulla voidaan koostaa joustavista kappaleista koostuvia avaruusmekanismeja ja tutkia niiden dynaamista käyttäytymistä. Simulointitulosta verrattiin kaupallisen ohjelmiston tuottamaan tulokseen. Työssä havaittiin, että kelluvan koordinaatiston menetelmä on käyttökelpoinen reaaliaikaiseen simulointiin. Työssä toteutetun ohjelman tulokset vastasivat kaupallisen simulointiohjelman tuloksia.

Sulpun kuvantaminen painelajittelussa

Painelajittelussa sellusta poistetaan epäpuhtauksia. Painelajittimien suunnittelussa on tärkeää ymmärtää lajittimessa tapahtuvia ilmiöitä. Työn tavoitteena oli kehittää kuvaamiseen perustuva mittausjärjestelmä kuitujen liikkeiden mittaamista varten. Mittauksen kohteena ovat sellusulpun kuitujen ja epäpuhtauksien nopeudet. Kuvaamisessa käytetyllä kaksoisvalotuksella pystytään mittaamaan kuitujen ja roskien nopeuksia. Nopeuksien mittaamiseen kuvista kehitettiin järjestelmä ja tutkittiin mahdollisuutta automatisoida mittaaminen. Yksittäisten kuitujen havaitsemiseen sellumassasta käytettiin optisella kirkasteella kirkastettuja kuituja ja UV-valoa. Kuituja värjättiin myös mustiksi ja kuvattiin näkyvällä valolla. Kaksoisvalotukseen käytettiin kahta stroboskooppia. Prosessin kuvaamisessa käytettiin ulkoisella herätteellä ohjattavaa kameraa. Kuvan tuomiseen kameralle ja kohteen valaistukseen käytettiin boroskooppia. Saatujen kuvien käsittelyä ja nopeuksien mittausta varten tehtiin tietokoneohjelma. Käytetyn boroskoopin valovoima ei ollut riittävä kuvausten suorittamiseen, mutta muilta osin laitteisto havaittiin toimivaksi. Kuitujen ja roskien nopeuksia pystyttiin laskemaan ohjelmalla kuvista, joita otettiin ilman boroskooppia. Mittaustiedon hankinnan automatisointi näyttää mahdolliselta tekemällä muutoksia kuvauslaitteistoon.

Paperikoneen lajinvaihdon säätötapojen vertailu

Työn tavoitteena oli vertailla paperikoneen lajinvaihdon säätötapoja. Vertailun kohteina olivat Metso Automationin IQGradeChange lajinvaihto-ohjelmisto ja operaattoreiden käsin tekemät lajinvaihdot. Kattavan tutkimusaineiston saamiseksi paperikoneen lajinvaihtodataa kerättiin seitsemän kuukauden ajan. Kerätyt lajinvaihdot käytiin läpi Matlab-ympäristössä lajinvaihtoaikojen selvittämiseksi. Lisäksi lajinvaihdoista laskettiin tuotannon muutokset ((t/h)/min) vanhan ja uudenlajin välillä, jotta päästiin selvyyteen lajinvaihdon laajuudesta ja eri lajinvaihtotapojen suorituskyvyistä. Koeajojaksona paperikoneelta kerättiin kaikkiaan 130 lajinvaihdon tiedot. Näistä lajinvaihdoista 58 tehtiin IQGradeChange lajinvaihto-ohjelmistolla ja 72 oli operaattoreiden käsin tekemiä lajinvaihtoja. Kerätyistä 130 lajinvaihdosta 27 kappaletta päättyi ratakatkoon. Yhtenä tehtävänä olikin tutkia katkoon päättyneitä lajinvaihtoja.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.

Sliding Mode Control for Switched Mode Power Supplies

Control applications of switched mode power supplies have been widely investigated. The main objective ofresearch and development (R&D) in this field is always to find the most suitable control method to be implemented in various DC/DC converter topologies. Inother words, the goal is to select a control method capable of improving the efficiency of the converter, reducing the effect of disturbances (line and load variation), lessening the effect of EMI (electro magnetic interference), and beingless effected by component variation. The main objective of this research work is to study different control methods implemented in switched mode power supplies namely (PID control, hysteresis control, adaptive control, current programmed control, variable structure control (VSC), and sliding mode control (SMC). The advantages and drawbacks of each control method are given. Two control methods, the PID and the SMC are selected and their effects on DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters are examined. Matlab/SimulinkTM is used to implement PID control method in DC/DC Buck converter and SMC in DC/DC (Buck, and Buck Boost) converters. For the prototype, operational amplifiers (op-amps) are used to implement PID control in DC/DC Buck converter. For SMC op-amps are implemented in DC/DC Buck converter and dSPACETM is used to control the DC/DC Buck-Boost converter. The SMC can be applied to the DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters. A comparison of the effects of the PID control and the SMC on the DC/DC Buck converter response in steady state, under line variations, load variations, and different component variations is performed. Also the Conducted RF-Emissions between the PID and SMC DC/DC Buck Converter are compared. The thesis shows that, in comparison with the PID control, the SMC provides better steady-state response, better dynamic response, less EMI, inherent order reduction, robustness against system uncertainty disturbances, and an implicit stability proof. Giving a better steady-state and dynamic response, the SMC is implemented in a DC/DC resonant converter. The half-wave zero current switching (HWZCS) DC/DC Buck converter is selected as a converter topology. A general guideline to select the tank component values, needed for the designing of a HWZCS DC/DC Buck, is obtained. The implementation of the SMC to a HWZCS DC/DC Buck converter is analysed. The converter response is investigated in the steady-state region and in the dynamic region.

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

Paper Surface Image Processing for Roughness Quality Measurement

Diplomityössä on käsitelty paperin pinnankarkeuden mittausta, joka on keskeisimpiä ongelmia paperimateriaalien tutkimuksessa. Paperiteollisuudessa käytettävät mittausmenetelmät sisältävät monia haittapuolia kuten esimerkiksi epätarkkuus ja yhteensopimattomuus sileiden papereiden mittauksissa, sekä suuret vaatimukset laboratorio-olosuhteille ja menetelmien hitaus. Työssä on tutkittu optiseen sirontaan perustuvia menetelmiä pinnankarkeuden määrittämisessä. Konenäköä ja kuvan-käsittelytekniikoita tutkittiin karkeilla paperipinnoilla. Tutkimuksessa käytetyt algoritmit on tehty Matlab® ohjelmalle. Saadut tulokset osoittavat mahdollisuuden pinnankarkeuden mittaamiseen kuvauksen avulla. Parhaimman tuloksen perinteisen ja kuvausmenetelmän välillä antoi fraktaaliulottuvuuteen perustuva menetelmä.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Trimmerin kapasiteetin kasvattaminen dynamiikan mallinnuksen avulla

Työn tavoitteena oli kasvattaa sahan dimensiolaitoksella käytettävän trimmerin rakenteellista kapasiteettia. Tavoitteeseen pyrittiin modernisoimalla trimmerin teräyksikköä käyttävää toimilaite ja teräyksikön säätö dynamiikan mallinnuksen avulla. Trimmerin teräyksikön dynamiikka mallinnettiin MATLAB-matematiikkaohjelmistolla kaksiulotteisena kinematiikkamallina ja kolmeulotteisena kinetiikkamallina. Dynamiikkamallien tulosten perusteella valittin teräyksikköä käyttävä toimilaite komponentteineen. Kinetiikkamalliin mallinnettiin trimmeriä käyttävä hydraulipiiri valittuine komponentteineen keskittyneiden paineiden ja puoliempiirisen mallinnuksen periaatteita käyttäen. Teräyksikön työkiertoa säätämään mallinnettiin suljettu takaisinkytketty säätöpiiri. Tuloksien perusteella valittiin optimaalinen toimilaitteen asemointigeometria ja todettiin mallinnetun järjestelmän täyttävän asetetut vaatimukset. Järjestelmää testattiin muuttamalla jarjestelman parametreja ja tutkimalla muutosten vaikutuksia jarjestelman toimintaan. Lisaksi tutkittiin lyhyesti terayksikon rakenteen keventamisen vaikutuksia.

Wood Volume Measurement Using Color Images

Tämä työ käsittelee puutukkien tilavuuden mittaamista värikonenäön avulla. Värikuvat on saatu Simpeleellä olevan metsäteollisuusyrityksen hiomosta. Työssä esitetään perusteellisesti matemaattinen teoria, joka liittyy käytettyihin kuvankäsittelymenetelmiin, kuten luokitteluun, kohinan poistoon ja tukkien segmentointiin. Esitetyt menetelmät implementointiin käytännössä ja eri menetelmillä saatuja tuloksia vertailtiin keskenään. Kuvankäsittelyalgoritmit on implementoitu Matlab 6.0:n avulla. Pääasiassa käytettiin uusinta Image Processing Toolboxia, joka on versio 3.0. Tämä työn näkökulma on pääasiassa käytäntöön soveltava, koska metsäteollsuus on korkealla tasolla Suomessa ja siellä on paljon alan yrityksiä, joissa tässä työssä kehitettyä menetelmää voidaan hyödyntää.