Non-Linear Journal Bearing Model for Analysis of Superharmonic Vibrations of Rotor Systems

A rotating machine usually consists of a rotor and bearings that supports it. The nonidealities in these components may excite vibration of the rotating system. The uncontrolled vibrations may lead to excessive wearing of the components of the rotating machine or reduce the process quality. Vibrations may be harmful even when amplitudes are seemingly low, as is usually the case in superharmonic vibration that takes place below the first critical speed of the rotating machine. Superharmonic vibration is excited when the rotational velocity of the machine is a fraction of the natural frequency of the system. In such a situation, a part of the machine’s rotational energy is transformed into vibration energy. The amount of vibration energy should be minimised in the design of rotating machines. The superharmonic vibration phenomena can be studied by analysing the coupled rotor-bearing system employing a multibody simulation approach. This research is focused on the modelling of hydrodynamic journal bearings and rotorbearing systems supported by journal bearings. In particular, the non-idealities affecting the rotor-bearing system and their effect on the superharmonic vibration of the rotating system are analysed. A comparison of computationally efficient journal bearing models is carried out in order to validate one model for further development. The selected bearing model is improved in order to take the waviness of the shaft journal into account. The improved model is implemented and analyzed in a multibody simulation code. A rotor-bearing system that consists of a flexible tube roll, two journal bearings and a supporting structure is analysed employing the multibody simulation technique. The modelled non-idealities are the shell thickness variation in the tube roll and the waviness of the shaft journal in the bearing assembly. Both modelled non-idealities may cause subharmonic resonance in the system. In multibody simulation, the coupled effect of the non-idealities can be captured in the analysis. Additionally one non-ideality is presented that does not excite the vibrations itself but affects the response of the rotorbearing system, namely the waviness of the bearing bushing which is the non-rotating part of the bearing system. The modelled system is verified with measurements performed on a test rig. In the measurements the waviness of bearing bushing was not measured and therefore it’s affect on the response was not verified. In conclusion, the selected modelling approach is an appropriate method when analysing the response of the rotor-bearing system. When comparing the simulated results to the measured ones, the overall agreement between the results is concluded to be good.

Learning Robot Motions from Visual Sensing

Learning from demonstration becomes increasingly popular as an efficient way of robot programming. Not only a scientific interest acts as an inspiration in this case but also the possibility of producing the machines that would find application in different areas of life: robots helping with daily routine at home, high performance automata in industries or friendly toys for children. One way to teach a robot to fulfill complex tasks is to start with simple training exercises, combining them to form more difficult behavior. The objective of the Master’s thesis work was to study robot programming with visual input. Dynamic movement primitives (DMPs) were chosen as a tool for motion learning and generation. Assuming a movement to be a spring system influenced by an external force, making this system move, DMPs represent the motion as a set of non-linear differential equations. During the experiments the properties of DMP, such as temporal and spacial invariance, were examined. The effect of the DMP parameters, including spring coefficient, damping factor, temporal scaling, on the trajectory generated were studied.

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.

Acceleration of Solar Energetic Particles in coronal shocks through self-generated turbulence

The acceleration of solar energetic particles (SEPs) by flares and coronal mass ejections (CMEs) has been a major topic of research for the solar-terrestrial physics and geophysics communities for decades. This thesis discusses theories describing first-order Fermi acceleration of SEPs through repeated crossings at a CME-driven shock. We propose that particle trapping occurs through self-generated Alfvén waves, leading to a turbulent trapping region in front of the shock. Decelerating coronal shocks are shown to be capable of efficient SEP acceleration, provided seed particle injection is sufficient. Quasi-parallel shocks are found to inject thermal particles with good efficiency. The roles of minimum injection velocities, cross-field diffusion, downstream scattering efficiency and cross-shock potential are investigated in detail, with downstream isotropisation timescales having a major effect on injection efficiency. Accelerated spectra of heavier elements up to iron are found to exhibit significantly harder spectra than protons. Accelerated spectra cut-off energies are found to scale proportional to (Q/A)^1.5, which is explained through analysis of the spectral shape of amplified Alfvénic turbulence. Acceleration times to different threshold energies are found to be non-linear, indicating that self-consistent time-dependent simulations are required in order to expose the full extent of acceleration dynamics. The well-established quasilinear theory (QLT) of particle scattering is investigated by comparing QLT scattering coefficients with those found via full-orbit simulations. QLT is found to overemphasise resonance conditions. This finding supports the simplifications implemented in the presented coronal shock acceleration (CSA) simulation software. The CSA software package is used to simulate a range of acceleration scenarios. The results are found to be in agreement with well-established particle acceleration theory. At the same time, new spatial and temporal dynamics of particle population trapping and wave evolution are revealed.

Adaptive Markov chain Monte Carlo and Bayesian filtering for state space models

This thesis is concerned with the state and parameter estimation in state space models. The estimation of states and parameters is an important task when mathematical modeling is applied to many different application areas such as the global positioning systems, target tracking, navigation, brain imaging, spread of infectious diseases, biological processes, telecommunications, audio signal processing, stochastic optimal control, machine learning, and physical systems. In Bayesian settings, the estimation of states or parameters amounts to computation of the posterior probability density function. Except for a very restricted number of models, it is impossible to compute this density function in a closed form. Hence, we need approximation methods. A state estimation problem involves estimating the states (latent variables) that are not directly observed in the output of the system. In this thesis, we use the Kalman filter, extended Kalman filter, Gauss–Hermite filters, and particle filters to estimate the states based on available measurements. Among these filters, particle filters are numerical methods for approximating the filtering distributions of non-linear non-Gaussian state space models via Monte Carlo. The performance of a particle filter heavily depends on the chosen importance distribution. For instance, inappropriate choice of the importance distribution can lead to the failure of convergence of the particle filter algorithm. In this thesis, we analyze the theoretical Lᵖ particle filter convergence with general importance distributions, where p ≥2 is an integer. A parameter estimation problem is considered with inferring the model parameters from measurements. For high-dimensional complex models, estimation of parameters can be done by Markov chain Monte Carlo (MCMC) methods. In its operation, the MCMC method requires the unnormalized posterior distribution of the parameters and a proposal distribution. In this thesis, we show how the posterior density function of the parameters of a state space model can be computed by filtering based methods, where the states are integrated out. This type of computation is then applied to estimate parameters of stochastic differential equations. Furthermore, we compute the partial derivatives of the log-posterior density function and use the hybrid Monte Carlo and scaled conjugate gradient methods to infer the parameters of stochastic differential equations. The computational efficiency of MCMC methods is highly depend on the chosen proposal distribution. A commonly used proposal distribution is Gaussian. In this kind of proposal, the covariance matrix must be well tuned. To tune it, adaptive MCMC methods can be used. In this thesis, we propose a new way of updating the covariance matrix using the variational Bayesian adaptive Kalman filter algorithm.

Modeling a Network of Heat Exchangers

This research work addresses the problem of building a mathematical model for the given system of heat exchangers and to determine the temperatures, pressures and velocities at the intermediate positions. Such model could be used in nding an optimal design for such a superstructure. To limit the size and computing time a reduced network model was used. The method can be generalized to larger network structures. A mathematical model which includes a system of non-linear equations has been built and solved according to the Newton-Raphson algorithm. The results obtained by the proposed mathematical model were compared with the results obtained by the Paterson approximation and Chen's Approximation. Results of this research work in collaboration with a current ongoing research at the department will optimize the valve positions and hence, minimize the pumping cost and maximize the heat transfer of the system of heat exchangers.

Optimizing the Performance of a Heat Exchanger Network

This research is the continuation and a joint work with a master thesis that has been done in this department recently by Hemamali Chathurangani Yashika Jayathunga. The mathematical system of the equations in the designed Heat Exchanger Network synthesis has been extended by adding a number of equipment; such as heat exchangers, mixers and dividers. The solutions of the system is obtained and the optimal setting of the valves (Each divider contains a valve) is calculated by introducing grid-based optimization. Finding the best position of the valves will lead to maximization of the transferred heat in the hot stream and minimization of the pressure drop in the cold stream. The aim of the following thesis will be achieved by practicing the cost optimization to model an optimized network.

Jatkuvavaletun teräksen leikkaussuunnitelman optimointi

Teollisuuden tuotannon eri prosessien optimointi on hyvin ajankohtainen aihe. Monet ohjausjärjestelmät ovat ajalta, jolloin tietokoneiden laskentateho oli hyvin vaatimaton nykyisiin verrattuna. Työssä esitetään tuotantoprosessi, joka sisältää teräksen leikkaussuunnitelman muodostamisongelman. Valuprosessi on yksi teräksen valmistuksen välivaiheita. Siinä sopivaan laatuun saatettu sula teräs valetaan linjastoon, jossa se jähmettyy ja leikataan aihioiksi. Myöhemmissä vaiheissa teräsaihioista muokataan pienempiä kokonaisuuksia, tehtaan lopputuotteita. Jatkuvavaletut aihiot voidaan leikata tilauskannasta riippuen monella eri tavalla. Tätä varten tarvitaan leikkaussuunnitelma, jonka muodostamiseksi on ratkaistava sekalukuoptimointiongelma. Sekalukuoptimointiongelmat ovat optimoinnin haastavin muoto. Niitä on tutkittu yksinkertaisempiin optimointiongelmiin nähden vähän. Nykyisten tietokoneiden laskentateho on kuitenkin mahdollistanut raskaampien ja monimutkaisempien optimointialgoritmien käytön ja kehittämisen. Työssä on käytetty ja esitetty eräs stokastisen optimoinnin menetelmä, differentiaalievoluutioalgoritmi. Tässä työssä esitetään teräksen leikkausoptimointialgoritmi. Kehitetty optimointimenetelmä toimii dynaamisesti tehdasympäristössä käyttäjien määrittelemien parametrien mukaisesti. Työ on osa Syncron Tech Oy:n Ovako Bar Oy Ab:lle toimittamaa ohjausjärjestelmää.

Korkeakappa-massan suotatuvuus

Työn tarkoituksena oli tutkia korkeakappa-massan suotautuvuutta sekä etsiä uusia analyysimenetelmiä korkeakappa-massan karakterisoimiseksi. Työssä pyrittiin määrittämään tekijöitä, jotka vaikuttavat korkeakappa-massan suotautumiseen. Työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin aluksi yleisesti keiton teoriaa, minkä jälkeen käsiteltiin jauhatusta ja tarkemmin korkeakappa-massan hienovaraisempaa jauhatusta eli kuidutusta. Seuraavaksi käsiteltiin suodatusta ja sen teoriaa sekä suodatukseen vaikuttavia tekijöitä. Massan pesusta esitettiin perusteet ja teoriaa. Lopuksi tarkasteltiin massan karakterisointia eri lähestymistavoilla sekä kuitujen perusominaisuuksia. Kokeellisessa osassa verrattiin LTY:n koesuodatuslaitteistolla tehdyillä suodatuskokeilla korkeakappa-massaisen sellukakun suotautuvuutta eri paine-eroilla, suodoksen eri hienoainepitoisuuksilla sekä ennen ja jälkeen sellutehtaallatapahtuneen kuidutuksen. Savonlinnassa sijaitsevalla laitteistolla tehtiin syrjäytystestejä ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla sellumassoilla. Lisäksi ennenja jälkeen kuidutusta otettuja sellumassanäytteitä karakterisoitiin mm. kuituanalysaattorilla, huokoskoko- ja ominaispinta-ala-analyyseillä sekä SEM-kuvilla. Suodatuskokeissa hienoainepitoisuudella ei ollut merkitystä permeabiliteettiin mitattujen suodosvirtausten perusteella. Kuten Darcyn lain perusteella voitiin olettaa, kakun paine-eron kasvaessa permeabiliteetti kasvoi. Vaikutus ei ollut kuitenkaan lineaarinen paine-eroon verrattuna vaan kakun permeabiliteetti kasvoi enemmän tietyllä paine-erovälillä. Tämä paine-eroväli vaihteli hieman riippuen oliko sellumassa otettu ennen vai jälkeen kuidutusta. Lappeenrannassa tehdyissä suodatuskokeissa ei ennen ja jälkeen kuidutusta otetuilla näytteillä ollut selvää eroa permeabiliteeteissa, mutta Savonlinnan syrjäytystesteissä ero syrjäytymisnopeudessa oli selvä. Ennen ja jälkeen kuidutusta otettujen sellumassojen kuituanalysaattorituloksissa ja SEM-kuvissa ei havaittu eroa näytteiden välillä, mutta massojen huokoskoko muuttui kuidutuksen vaikutuksesta.

Absorptiivinen kapasiteetti käytäntölähtöisessä innovaatiotoiminnassa Päijät-Hämeessä

Tutkimuksessa arvioidaan millaisia kyvykkyyksiä toimijoiltavaaditaan, jotta voidaan edistää verkostoja palvelevan innovaatiopolitiikan toteutumista ja toteuttaa käytäntölähtöistä innovaatiotoimintaa. Empiirinen osa tarkastelee Päijät-Hämeen toimijoiden asenneympäristöä ja toimimisen valmiuksia käytäntölähtöisen innovaatiotoiminnan tarpeisiin sopivaksi. Osaaminen kerääntyy yliopistopaikkakunnille ulkoisten suurtuotannon etujen mukaisesti. Ne alueet, joilla ei ole yliopistoa joutuvat luomaan muunlaista innovaatiokyvykkyyttä saavuttaakseen kilpailuetua. Siksi Päijät-Hämeen visiona on tulla johtavaksi käytäntölähtöisen innovaatiotoiminnan alueeksi hyvien toimintamallien ja tehokkaiden tiedonsiirtomekanismien avulla. Tämä vaatii alueen toimijoilta mm. korkeaa absorptiivista kapasiteettia ja heikkoja linkkejä alueen ulkopuolelle. Työn empiirinen osa koostuu 12:sta puolistrukturoidusta haastattelusta sekä kyselytutkimuksesta. Tiedonluonti ja -siirto alueelle nähtiin pääasiassa tutkimusmaailman tehtävänä, mutta varianssianalyysin perusteella tutkimusmaailma ei itse nähnyt olevansa siinä asemassa. Yhteisen kielen puuttuminen tutkimus- ja käytännön työelämän väliltä nähtiin puutteena.

Influence of stationary phase and eluent properties on chromatographic separation of carbohydrates

In this thesis, the sorption and elastic properties of the cation-exchange resins were studied to explain the liquid chromatographic separation of carbohydrates. Na+, Ca2+ and La3+ form strong poly(styrene-co-divinylbenzene) (SCE) as well as Na+ and Ca2+ form weak acrylic (WCE) cation-exchange resins at different cross-link densities were treated within this work. The focus was on the effects of water-alcohol mixtures, mostly aqueous ethanol, and that of the carbohydrates. The carbohydrates examined were rhamnose, xylose, glucose, fructose, arabinose, sucrose, xylitol and sorbitol. In addition to linear chromatographic conditions, non-linear conditions more typical for industrial applications were studied. Both experimental and modeling aspectswere covered. The aqueous alcohol sorption on the cation-exchangers were experimentally determined and theoretically calculated. The sorption model includes elastic parameters, which were obtained from sorption data combined with elasticity measurements. As hydrophilic materials cation-exchangers are water selective and shrink when an organic solvent is added. At a certain deswelling degree the elastic resins go through glass transition and become as glass-like material. Theincreasing cross-link level and the valence of the counterion decrease the sorption of solvent components in the water-rich solutions. The cross-linkage or thecounterions have less effect on the water selectivity than the resin type or the used alcohol. The amount of water sorbed is higher in the WCE resin and, moreover, the WCE resin is more water selective than the corresponding SCE resin. Theincreased aliphatic part of lower alcohols tend to increase the water selectivity, i.e. the resins are more water selective in 2-propanol than in ethanol solutions. Both the sorption behavior of carbohydrates and the sorption differences between carbohydrates are considerably affected by the eluent composition and theresin characteristics. The carbohydrate sorption was experimentally examined and modeled. In all cases, sorption and moreover the separation of carbohydrates are dominated by three phenomena: partition, ligand exchange and size exclusion. The sorption of hydrophilic carbohydrates increases when alcohol is added into the eluent or when carbohydrate is able to form coordination complexes with the counterions, especially with multivalent counterions. Decreasing polarity of the eluent enhances the complex stability. Size exclusion effect is more prominent when the resin becomes tighter or carbohydrate size increases. On the other hand,the elution volumes between different sized carbohydrates decreases with the decreasing polarity of the eluent. The chromatographic separation of carbohydrateswas modeled, using rhamnose and xylose as target molecules. The thermodynamic sorption model was successfully implemented in the rate-based column model. The experimental chromatographic data were fitted by using only one adjustable parameter. In addition to the fitted data also simulated data were generated and utilized in explaining the effect of the eluent composition and of the resin characteristics on the carbohydrate separation.

Wavelet Filter Parameterization for Compression of Spectral Images

Vaatimus kuvatiedon tiivistämisestä on tullut entistä ilmeisemmäksi viimeisen kymmenen vuoden aikana kuvatietoon perustuvien sovellutusten myötä. Nykyisin kiinnitetään erityistä huomiota spektrikuviin, joiden tallettaminen ja siirto vaativat runsaasti levytilaa ja kaistaa. Aallokemuunnos on osoittautunut hyväksi ratkaisuksi häviöllisessä tiedontiivistämisessä. Sen toteutus alikaistakoodauksessa perustuu aallokesuodattimiin ja ongelmana on sopivan aallokesuodattimen valinta erilaisille tiivistettäville kuville. Tässä työssä esitetään katsaus tiivistysmenetelmiin, jotka perustuvat aallokemuunnokseen. Ortogonaalisten suodattimien määritys parametrisoimalla on työn painopisteenä. Työssä todetaan myös kahden erilaisen lähestymistavan samanlaisuus algebrallisten yhtälöiden avulla. Kokeellinen osa sisältää joukon testejä, joilla perustellaan parametrisoinnin tarvetta. Erilaisille kuville tarvitaan erilaisia suodattimia sekä erilaiset tiivistyskertoimet saavutetaan eri suodattimilla. Lopuksi toteutetaan spektrikuvien tiivistys aallokemuunnoksen avulla.

THE IMPACT OF ARCHITECTURAL DESIGN ON SOFTWARE DEVELOPMENT

Tässä työssä tutkitaan ohjelmistoarkkitehtuurisuunnitteluominaisuuksien vaikutusta erään client-server –arkkitehtuuriin perustuvan mobiilipalvelusovelluksen suunnittelu- ja toteutusaikaan. Kyseinen tutkimus perustuu reaalielämän projektiin, jonka kvalitatiivinen analyysi paljasti arkkitehtuurikompponenttien välisten kytkentöjen merkittävästi vaikuttavan projektin työmäärään. Työn päätavoite oli kvantitatiivisesti tutkia yllä mainitun havainnon oikeellisuus. Tavoitteen saavuttamiseksi suunniteltiin ohjelmistoarkkitehtuurisuunnittelun mittaristo kuvaamaan kyseisen järjestelmän alijärjestelmien arkkitehtuuria ja luotiin kaksi suunniteltua mittaristoa käyttävää, työmäärää (komponentin suunnittelu-, toteutus- ja testausaikojen summa) arvioivaa mallia, joista toinen on lineaarinen ja toinen epälineaarinen. Näiden mallien kertoimet sovitettiin optimoimalla niiden arvot epälineaarista gloobaalioptimointimenetelmää, differentiaalievoluutioalgoritmia, käyttäen, niin että mallien antamat arvot vastasivat parhaiten mitattua työmäärää sekä kaikilla ominaisuuksilla eli attribuuteilla että vain osalla niistä (yksi jätettiin vuorotellen pois). Kun arkkitehtuurikompenttien väliset kytkennät jätettiin malleista pois, mitattujen ja arvoitujen työmäärien välinen ero (ilmaistuna virheenä) kasvoi eräässä tapauksessa 367 % entisestä tarkoittaen sitä, että näin muodostettu malli vastasi toteutusaikoja huonosti annetulla ainestolla. Tämä oli suurin havaitu virhe kaikkien poisjätettyjen ominaisuuksien kesken. Saadun tuloksen perusteella päätettiin, että kyseisen järjestelmän toteutusajat ovat vahvasti riippuvaisia kytkentöjen määrästä, ja näin ollen kytkentöjen määrä oli mitä todennäköisemmin kaikista tärkein työmäärään vaikuttava tekijä tutkitun järjestelmän arkkitehtuurisuunnittelussa.

Effect of competitive situation and price on diffusion of mobile communications

Työn päätavoitteena oli selvittää hinnan ja kilpailutilanteen vaikutusta matkaviestinnän diffuusioon. Työn empiirinen osuus tarkasteli matkapuhelinliittymien hinnan vaikutusta liittymien diffuusioon sekä sitä, miten alan kilpailu on vaikuttanut matkaviestinnän hintatasoon. Työssä analysoitiin myös matkaviestinnän kilpailutilannetta Suomen markkinoilla. Tutkimuksen empiirinen aineisto kerättiin toissijaisista lähteistä, esimerkiksi EMC-tietokannasta. Tutkimus oli luonteeltaan kvantitatiivinen.Empiirisessä osassa käytetyt mallit oli muodostettu aikaisempien tutkimuksien perusteella. Regressioanalyysiä käytettiin arvioitaessa hinnan vaikutusta diffuusionopeuteen ja mahdollisten omaksujien määrään. Regressioanalyysissä sovellettiin ei-lineaarista mallia.Tutkimustulokset osoittivat, että tasaisesti laskevilla matkapuhelinliittymien sekä matkapuhelimien hinnoilla ei ole merkittävää vaikutusta matkaviestinnän diffuusioon. Myöskään kilpailutilanne ei ole vaikuttanut paljon matkaviestinnän yleiseen hintatasoon. Työn tulosten perusteella voitiin antaa myös muutamia toimenpide-ehdotuksia jatkotutkimuksia varten.