Improving Dynamic Characteristics of Open-loop Controlled Log Crane

The improvement of the dynamics of flexible manipulators like log cranes often requires advanced control methods. This thesis discusses the vibration problems in the cranes used in commercial forestry machines. Two control methods, adaptive filtering and semi-active damping, are presented. The adaptive filter uses a part of the lowest natural frequency of the crane as a filtering frequency. The payload estimation algorithm, filtering of control signal and algorithm for calculation of the lowest natural frequency of the crane are presented. The semi-active damping method is basedon pressure feedback. The pressure vibration, scaled with suitable gain, is added to the control signal of the valve of the lift cylinder to suppress vibrations. The adaptive filter cuts off high frequency impulses coming from the operatorand semi-active damping suppresses the crane?s oscillation, which is often caused by some external disturbance. In field tests performed on the crane, a correctly tuned (25 % tuning) adaptive filter reduced pressure vibration by 14-17 % and semi-active damping correspondingly by 21-43%. Applying of these methods require auxiliary transducers, installed in specific points in the crane, and electronically controlled directional control valves.

Converter-flux-based current control of voltage source PWM rectifiers - analysis and implementation

Pulsewidth-modulated (PWM) rectifier technology is increasingly used in industrial applications like variable-speed motor drives, since it offers several desired features such as sinusoidal input currents, controllable power factor, bidirectional power flow and high quality DC output voltage. To achieve these features,however, an effective control system with fast and accurate current and DC voltage responses is required. From various control strategies proposed to meet these control objectives, in most cases the commonly known principle of the synchronous-frame current vector control along with some space-vector PWM scheme have been applied. Recently, however, new control approaches analogous to the well-established direct torque control (DTC) method for electrical machines have also emerged to implement a high-performance PWM rectifier. In this thesis the concepts of classical synchronous-frame current control and DTC-based PWM rectifier control are combined and a new converter-flux-based current control (CFCC) scheme is introduced. To achieve sufficient dynamic performance and to ensure a stable operation, the proposed control system is thoroughly analysed and simple rules for the controller design are suggested. Special attention is paid to the estimationof the converter flux, which is the key element of converter-flux-based control. Discrete-time implementation is also discussed. Line-voltage-sensorless reactive reactive power control methods for the L- and LCL-type line filters are presented. For the L-filter an open-loop control law for the d-axis current referenceis proposed. In the case of the LCL-filter the combined open-loop control and feedback control is proposed. The influence of the erroneous filter parameter estimates on the accuracy of the developed control schemes is also discussed. A newzero vector selection rule for suppressing the zero-sequence current in parallel-connected PWM rectifiers is proposed. With this method a truly standalone and independent control of the converter units is allowed and traditional transformer isolation and synchronised-control-based solutions are avoided. The implementation requires only one additional current sensor. The proposed schemes are evaluated by the simulations and laboratory experiments. A satisfactory performance and good agreement between the theory and practice are demonstrated.

Sähkökäytön valintaperiaatteet ja monimoottorikäytöt malmin laaduntasauksessa

Sähkökäytön valintaan vaikuttavat useat eri tekijät. Sähkökäytön valinnan perusteena voidaan käyttää tietoa prosessin tai toimilaitteen fysikaalisesta käyttäytymisestä. Valinnan perusteena voi olla myös riittävän suorituskyvyn tarve prosessissa. Tässä työssä tutustutaan sähkökäytön valintaan vaikuttaviin tekijöihinja sähkökäytön mitoitukseen. Työssä on keskitytty yleisempien pienjännitemoottorityyppien ja niiden säätöjen käsittelyyn. Useissa prosesseissa vaaditaan monen moottorin käyttöä saman kuorman liikuttamisessa. Monimoottorikäyttöjen ohjauksen tuntemus auttaa ongelmatilanteiden ratkaisussa ja antaa perusteet monimoottorikäytön valinnalle. Tässä työssä käsitellään monimoottorikäyttöjen pyörimisnopeuserojen ja vääntömomenttien epätasaisuuteen liittyviä ongelmia.

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.

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.

Toimitusketjun mallinnuksen tarpeet ja rakenne LOCOMOTIVE projekstissa

Työn tavoitteena oli kuvata ja priorisoida toimitusketjun dynaamisen mallinnustyökalun vaatimukset, sekä muodostaa tämän pohjalta ohjelmistokehitystä tukeva oliomalli. Vaatimuksia selvitettiin teoreettisen tarkastelun, aiemmin toteutettujen kyselytutkimusten sekä viiden pilottitapauksen avulla. Toimitusketjun hallinta ei ole pelkästään materiaalivirtojen vaan myös näihin liittyvän informaation hallintaa. Holististen toimitusketjuongelmien mallintaminen edellyttää siis informaatiovirtojen ja niitä saatelevien ohjausmekanisemien mallintamista. Markkinoilla on selkeästi tilaa tukijärjestelmille, jotka mahdollistaisivat multidimensionaalisten - tuotto, aika, palvelu - toimitusketjuongelmien tarkastelun. Systeemidynamiikan teorian mukaisesti oliomallin lähtökohdaksi valittiin tärkeimpien takaisinkytkentäsilmukkojen mallinnus. Takaisinkytkentäsilmukoiden avulla kyetään mallintamaan kompleksisia systeemejä ajan suhteen. Mallinnetut toimitusketjujen takaisinkytkentäsilmukkat ovat operaatio-, ohjaus-, kysyntä- ja strategiasilmukka. Toimitusketjun ohjausmekanismien, sekä systeemidynamiikan perusteiden pohjalta mallinnustyökalun vaatimuksista muodostettiin oliomalli. Muodostettu oliomalli on Locomotiven - toimitusketjun mallinnustyökalun - perusta.

Hydraulisen puomin avoimen piirin koordinaattiohjaus paine-ero-tilavuusvirta-approksimaation avulla

Diplomityön tavoitteena oli kehittää mahdollisimman hyvä koordinaattiohjaus. Sen tuli olla jälkiasennettavissa perinteisen ohjauksen rinnalle työkoneisiin, joissa on käytetty sähköohjattuja proportionaaliventtiileitä. Työssä keskityttiin tutkimaan suuntaventtiilin yli vallitsevasta paine-erosta saatavan tilavuusvirtatiedon hyödyntämistä ohjauksessa. Työn ensimmäisessä vaiheessa koordinaattiohjaus toteutettiin käyttäen 0-peittoisilla karoilla ja karan asematakaisinkytkennällä varustettuja suuntaventtiileitä. Hydrauliseen kuristukseen perustuen saatiin paine-erosta käyttökelpoista tilavuusvirtasignaalia ja koordinaattiohjauksen liikeradan seurannassa oli parhaimmillaan vain 3 cm:n virhe koenosturin työliikkeen pituudella. Toisessa vaiheessa käytettiin työkoneissa yleisesti esiintyvää positiivisin karapeitoin varustettua mobiiliventtiilistöä, jossa oli karakohtaiset painekompensaattorit. Painekompensaattoreiden takia ei paine-eron mittaaminen puhtaasti suuntaventtiilin karan yli ollut mahdollista, jonka takia tyydyttiin koordinaattiohjaus toteuttamaan ilman paineen mittausta luottaen painekompensaattoreiden toimintaan. Käytetyn venttiilistön kavitoinninestotoiminnon huomiointi ohjauksessa jäi ratkaisematta ja se ohitettiin vastusvastaventtiileiden avulla. Koordinaattiohjauksen tarkkuus mobiiliventtiileillä oli vaatimaton ja tulosten toistettavuus heikko. Tulosten perusteella todettiin avoimellakin koordinaattiohjauksella olevan mahdollista saavuttaa lupaava tarkkuus ammattikuljettajiin verrattuna. Mobiiliventtiilistöön liittyvät, työn aikana esiinnousseet epäkohdat olisi ratkaistava ennen käytettyjen menetelmien soveltamista käytännön kohteisiin.

Design of traction transmission and suspension systems for an omni-directional mobile robot

This project aims to design and manufacture a mobile robot with two Universal Robot UR10 mainly used indoors. In order to obtain omni-directional maneuverability, the mobile robot is constructed with Mecanum wheels. The Mecanum wheel can move in any direction with a series of rollers attached to itself. These rollers are angled at 45º about the hub’s circumference. This type of wheels can be used in both driving and steering with their any-direction property. This paper is focused on the design of traction system and suspension system, and the velocity control of Mecanum wheels in the close-loop control system. The mechanical design includes selection of bearing housing, couplers which are act as connection between shafts, motor parts, and other needed components. The 3D design software SolidWorks is utilized to assemble all the components in order to get correct tolerance. The driving shaft is designed based on assembled structure via the software as well. The design of suspension system is to compensate the assembly error of Mecanum wheels to guarantee the stability of the robot. The control system of motor drivers is realized through the Robot Operating System (ROS) on Ubuntu Linux. The purpose of inverse kinematics is to obtain the relationship among the movements of all Mecanum wheels. Via programming and interacting with the computer, the robot could move with required speed and direction.

Field Sales Management Control: Towards a Multi-Level Theory

The purpose of this dissertation is to increase the understanding and knowledge of field sales management control systems (i.e. sales managers monitoring, directing, evaluating and rewarding activities) and their potential consequences on salespeople. This topic is important because research conducted in the past has indicated that the choice of control system type can on the other hand have desirable consequences, such as high levels of motivation and performance, and on the other hand leadto harmful unintended consequences, such as opportunistic or unethical behaviors. Despite the fact that marketing and sales management control systems have been under rigorous research for over two decades, it still is at a very early stage of development, and several inconsistencies can be found in the research results. This dissertation argues that these inconsistencies are mainly derived from misspecification of the level of analysis in the past research. These different levels of analysis (i.e. strategic, tactical, and operational levels) involve very different decision-making situations regarding the control and motivation of sales force, which should be taken into consideration when conceptualizing the control. Moreover, the study of salesperson consequences of a field sales management control system is actually a cross-level phenomenon, which means that at least two levels of analysis are simultaneously involved. The results of this dissertation confirm the need to re-conceptualize the field sales management control system concept. It provides empirical evidence for the assertion that control should be conceptualized with more details atthe tactical/operational level of analysis than at the strategic levelof analysis. Moreover, the results show that some controls are more efficiently communicated to field salespeople than others. It is proposed that this difference is due to different purposes of control; some controls aredesigned for influencing salespersons' behavior (aim at motivating) whereas some controls are designed to aid decision-making (aim at providing information). According to the empirical results of this dissertation, the both types of controls have an impact to the sales force, but this impactis not as strong as expected. The results obtained in this dissertation shed some light to the nature of field sales management control systems, and their consequences on salespeopl

Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Control of multi-actuator system by an electrically driven hydraulic pump-motor

The awareness and concern of our environment together with legislation have set more and more tightening demands for energy efficiency of non-road mobile machinery (NRMM). Integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) has been developed in Lappeenranta University of Technology (LUT). The elimination of resistance flow, and the recuperation of energy makes it very efficient alternative. The difficulties of IEHEC machine to step to the market has been the requirement of one IEHEC machine per one actuator. The idea is to switch IEHEC between two actuators of log crane using fast on/off valves. The control system architecture is introduced. The system has been simulated in co-simulation using two different software. The simulated responses of pump-controlled system is compared to the responses of the conventional valve-controlled system.

Market Study of Electric Drive Motion Control Business

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia älykkäiden paikoituskäyttöjen markkinoita ja liiketoimintamalleja. Työn pääongelmina oli määritellä alalla käytössä olevaa terminologiaa, määrittää markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaaville kolmivaihetaajuusmuuttajille, tutkia viiden alalla toimivan paikoituskäyttötoimittajan liiketoimintarakenteita ja tuotteita teknisestä näkökulmasta sekä esitellä kaksi teollisuuden käyttökohdetta paikoituskäytölle. Työn sisältö voidaan jakaa neljään eri osioon. Terminologian määrittely- ja markkinatutkimusosiot perustuvat pääasiassa kirjallisuustutkimukseen. Paikoituskäyttöjen toimittajia sekä niiden tuotteita käsittelevä osuus perustuu kirjallisuustutkimukseen sekä teknisiin esitteisiin ja manuaaleihin. Paikoituskäyttöjen sovellusesimerkit on selvitetty haastatteluin. Työ painottuu paikoituskäyttötoimittajien tuotteiden, tuoteominaisuuksien ja tuotetarjonnan tarkasteluun. Työn tuloksena on määritelty paikoituskäyttöjen liiketoiminnan tärkeimmät termit, paikoituskäyttöjen markkinoiden koko sekä markkinoiden koko paikoitusominaisuudet omaavalle kolmivaihetaajuusmuuttajalle. Alalla toimivien paikoituskäyttötoimittajien liiketoimintarakenne on selvitetty, jonka mukaan toimittajat on profiloitu komponentti-, komponenttipaketti-, toimialakeskeisiksi tai automaatiotoimittajiksi. Toimittajien paikoituskäyttötuotteet on luokiteltu viiteen eri luokkaan niiden teknisten ominaisuuksien perusteella. Lisäksi paikoituskäyttöjen suorituskyvyt on selvitetty säätimien momentti-, nopeus-, ja paikoituslaskenta-aikatasojen sekä kenttäväyläliityntöjen suhteen. Työssä kuvatut vanerinsorvausprosessi sekä FMS -materiaalinkäsittelyprosessi esittävät paikoituskäyttöjen potentiaalisia sovelluskohteita.

The Control of the Edge Shrinkage in Board

Tämän diplomityön tavoitteena oli löytää prosessiparametrejä nestepakkauskartongin reuna-alueiden kuivatuskutistuman hallintaan ja saada tuotteen reuna-alueiden sileystaso paremmaksi. Tarkoituksena oli parantaa reuna-alueiden painettavuusominaisuuksia sekä saada koneen poikkisuunnassa laadultaan parempi tuote. Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu työn kannalta nestepakkauskartongin kriittisimpiä ominaisuuksia, sileyttä ja jäykkyyttä. Lisäksi kirjallisuusosassa on tarkasteltu kuitujen ominaisuuksia, sylinterikuivatusta ja kuivatuskutistumaa. Kokeellisessa osassa on etsitty esitutkimuksella prosessiparametrejä, jotka ovat aiheuttaneet poikkisuunnan sileyserojen kasvun kartonkikoneen investoinnin jälkeen. Suoria korrelaatioita prosessiparametrien ja kuivatuskutistuman välille ei löydetty. Kokeellisen osan tehdasmittakaavaisissa koeajoissa tutkittiin kahdeksan eri parametrin vaikutusta kuivatuskutistumaan, jotka perustuivat kirjallisuuteen. Tutkituista parametreistä huulisuihkun iskukulman muutoksella sekä konesuuntaisella kuivatusprofiililla ei ollut vaikutusta kuivatuskutistumaan. Runkokerroksen mäntysellun korvaaminen koivusellulla vähensi kuivatuskutistumaa ja lisäsi sileyttä, mutta tuotteen palstautumislujuus ei tällöin ollut riittävä. Retentiokemikaalien reseptimuutoksilla pinta- ja taustakerroksen välillä, kuivatusosan nollatason laskulla ja perälaatikkosakeuksien pienentämisellä oli vähän vaikutusta kuivatuskutistumaan. Vaikutus reuna-alueiden sileyteen oli kuitenkin vähemmän kuin 10 %. Diplomityön perusteella kuivatusosan nopeuseroilla ja kuivatusviirojen kireyksillä oli suurin vaikutusta kuivatuskutistumaan ja reuna-alueiden sileystasoon. Lisäämällä nopeuseroja ja kiristämällä kuivatusviiroja reuna-alueiden sileyttä pystyttiin parantamaan yli 20 %.

On the Analysis and Control of a Linear Synchronous Servomotor with a Flexible Load

Industry's growing need for higher productivity is placing new demands on mechanisms connected with electrical motors, because these can easily lead to vibration problems due to fast dynamics. Furthermore, the nonlinear effects caused by a motor frequently reduce servo stability, which diminishes the controller's ability to predict and maintain speed. Hence, the flexibility of a mechanism and its control has become an important area of research. The basic approach in control system engineering is to assume that the mechanism connected to a motor is rigid, so that vibrations in the tool mechanism, reel, gripper or any apparatus connected to the motor are not taken into account. This might reduce the ability of the machine system to carry out its assignment and shorten the lifetime of the equipment. Nonetheless, it is usually more important to know how the mechanism, or in other words the load on the motor, behaves. A nonlinear load control method for a permanent magnet linear synchronous motor is developed and implemented in the thesis. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired velocity reference as fast as possible and without awkward oscillations. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm with its stability ensured by the Lyapunov stability theorem. As a reference controller for the backstepping method, a hybrid neural controller is introduced in which the linear motor itself is controlled by a conventional PI velocity controller and the vibration of the associated flexible mechanism is suppressed from an outer control loop using a compensation signal from a multilayer perceptron network. To avoid the local minimum problem entailed in neural networks, the initial weights are searched for offline by means of a differential evolution algorithm. The states of a mechanical system for controllers are estimated using the Kalman filter. The theoretical results obtained from the control design are validated with the lumped mass model for a mechanism. Generalization of the mechanism allows the methods derived here to be widely implemented in machine automation. The control algorithms are first designed in a specially introduced nonlinear simulation model and then implemented in the physical linear motor using a DSP (Digital Signal Processor) application. The measurements prove that both controllers are capable of suppressing vibration, but that the backstepping method is superior to others due to its accuracy of response and stability properties.

Centralized Motion Control of a Linear Tooth Belt Drive: Analysis of the Performance and Limitations

A centralized robust position control for an electrical driven tooth belt drive is designed in this doctoral thesis. Both a cascaded control structure and a PID based position controller are discussed. The performance and the limitations of the system are analyzed and design principles for the mechanical structure and the control design are given. These design principles are also suitable for most of the motion control applications, where mechanical resonance frequencies and control loop delays are present. One of the major challenges in the design of a controller for machinery applications is that the values of the parameters in the system model (parameter uncertainty) or the system model it self (non-parametric uncertainty) are seldom known accurately in advance. In this thesis a systematic analysis of the parameter uncertainty of the linear tooth beltdrive model is presented and the effect of the variation of a single parameter on the performance of the total system is shown. The total variation of the model parameters is taken into account in the control design phase using a Quantitative Feedback Theory (QFT). The thesis also introduces a new method to analyze reference feedforward controllers applying the QFT. The performance of the designed controllers is verified by experimentalmeasurements. The measurements confirm the control design principles that are given in this thesis.