Wavelets in real-time paper web analysis

Online paper web analysis relies on traversing scanners that criss-cross on top of a rapidly moving paper web. The sensors embedded in the scanners measure many important quality variables of paper, such as basis weight, caliper and porosity. Most of these quantities are varying a lot and the measurements are noisy at many different scales. The zigzagging nature of scanning makes it difficult to separate machine direction (MD) and cross direction (CD) variability from one another. For improving the 2D resolution of the quality variables above, the paper quality control team at the Department of Mathematics and Physics at LUT has implemented efficient Kalman filtering based methods that currently use 2D Fourier series. Fourier series are global and therefore resolve local spatial detail on the paper web rather poorly. The target of the current thesis is to study alternative wavelet based representations as candidates to replace the Fourier basis for a higher resolution spatial reconstruction of these quality variables. The accuracy of wavelet compressed 2D web fields will be compared with corresponding truncated Fourier series based fields.

Taajuusmuuttajan vaihtaminen pakkaajarobottiin

Tässä sähkövoimatekniikan insinöörityössä on käsitelty taajuusmuuttajan vaihtamisprosessia. Työ on tehty Oy Sinebrychoff Ab:n Keravan tuotantolaitokselle täyttöosastolle 0.33 litran lasipullon pakkaajarobottiin. Työssä on aluksi todettu olevan kahdenlaisia taajuusmuuttajia: suoria ja välipiirillisiä. Tämän jälkeen on käsitelty taajuusmuuttajan rakennetta yleisesti tutustumalla taajuusmuuttajan neljään pääosaan: tasasuuntaajaan, välipiiriin, vaihtosuuntaajaan sekä ohjauspiirin. Lisäksi on tutustuttu erilaisiin taajuusmuuttajan ohjaus- ja säätötapoihin kuten skalaariohjaus ja -säätö, vektorisäätö sekä suoravääntömomenttisäätö. Työssä on lisäksi käsitelty taajuusmuuttajien käyttökohteita, tulevaisuutta sekä niiden hyötyjä teollisuudelle. Työssä on käsitelty myös Vaconin taajuusmuuttaja tuotesarjoja NXS, NXP sekä NXL ja vertailtu niiden eroja ja käyttökohteita. Lisäksi on käsitelty Vaconin ”All in One” -ohjelmasovelluspakettia, joka sisältää seitsemän erilaista ohjelmasovellusta: perussovellus, vakiosovellus, paikallis/kauko-ohjaussovellus, vakionopeussovellus, PID-säätösovellus, erikoiskäyttösovellus, pumppu- ja puhallinautomatiikkasovellus. Lisäksi on tutustuttu valitun taajuusmuuttajan lajimerkkiavaimeen eli käsitelty kirjainten ja numeroiden merkitystä taajuusmuuttajamallille. Taajuusmuuttajan vaihtamisosiossa käsitellään vaihtamisprosessia aloittaen vanhan SEW Eurodrive - taajuusmuuttajan irrottamisesta sekä ohjausarvojen mittaamisesta. Tämän jälkeen käsitellään uuden VACON NXS -taajuusmuuttajan asentamista sekä valitun sovel-lusohjelman parametrien asettamista moottorille sopivaksi. Lisäksi työssä on tutustuttu vaihdettavan taajuusmuuttajan käyttöympäristöön ja piirretty uudestaan taajuusmuuttaja-käytön piirikuvat CADS-ohjelmalla, jotta piirikaavioissa liittimien numeroinnit vastaisivat uuden taajuusmuuttajan liittimien numeroita. Työn lopussa on käsitelty työn etuja yritykselle ja linjan toimivuudelle. Lisäksi on laskettu työn kannattavuutta yritykselle sekä laskettu aika, jolloin taajuusmuuttaja maksaa itsensä takaisin.

Coifman-aallokkeet ja skaalaussuotimen muodostus differentiaalievoluut ion avulla

Ortogonaalisen M-kaistaisen moniresoluutioanalyysin matemaattiset perusteet esitetään yksityiskohtaisesti. Coifman-aallokkeiden määritelmä yleistetään dilaatiokertoimelle M ja nollasta poikkeavalle häviävien momenttien keskukselle.Funktion approksimointia näytepisteistä aallokkeiden avulla pohditaan ja erityisesti esitetään approksimaation asymptoottinen virhearvio Coifman-aallokkeille. Skaalaussuotimelle osoitetaan välttämättömät ja riittävät ehdot, jotka johtavat yleistettyihin Coifman-aallokkeisiin. Moniresoluutioanalyysin tiheys todistetaansuoraan Lebesguen integraalin määritelmään perustuen yksikön partitio-ominaisuutta käyttäen. Todistus on riittävä sellaisenaan avaruudessa L2(Wd) käyttämättä Fourier-tason ominaisuuksia tai ehtoja. Mallatin algoritmi johdetaan M-kaistaisille aallokkeille ja moniuloitteisille signaaleille. Algoritmille esitetään myös rekursiivinen muoto. Differentiaalievoluutioalgoritmin avulla ratkaistaan Coifman-aallokkeisiin liittyvien skaalaussuotimien kertoimien arvoja useille skaalausfunktiolle. Approksimaatio- ja kuvanpakkausesimerkkejä esitetään menetelmien havainnollistamiseksi. Differentiaalievoluutioalgoritmin avulla etsitään myös referenssikuville optimoitu skaalaussuodin. Löydetty suodin on regulaarinen ja erittäinsymmetrinen.

Ranking-Dominance Relation for (Evolutionary) Multi-Objective Optimization

An alternative relation to Pareto-dominance relation is proposed. The new relation is based on ranking a set of solutions according to each separate objective and an aggregation function to calculate a scalar fitness value for each solution. The relation is called as ranking-dominance and it tries to tackle the curse of dimensionality commonly observedin evolutionary multi-objective optimization. Ranking-dominance can beused to sort a set of solutions even for a large number of objectives when Pareto-dominance relation cannot distinguish solutions from one another anymore. This permits search to advance even with a large number of objectives. It is also shown that ranking-dominance does not violate Pareto-dominance. Results indicate that selection based on ranking-dominance is able to advance search towards the Pareto-front in some cases, where selection based on Pareto-dominance stagnates. However, in some cases it is also possible that search does not proceed into direction of Pareto-front because the ranking-dominance relation permits deterioration of individual objectives. Results also show that when the number of objectives increases, selection based on just Pareto-dominance without diversity maintenance is able to advance search better than with diversity maintenance. Therefore, diversity maintenance is connive at the curse of dimensionality.

Mass transfer and particleinteractions in granular systems and suspension flows

The purpose of this study was to investigate some important features of granular flows and suspension flows by computational simulation methods. Granular materials have been considered as an independent state ofmatter because of their complex behaviors. They sometimes behave like a solid, sometimes like a fluid, and sometimes can contain both phases in equilibrium. The computer simulation of dense shear granular flows of monodisperse, spherical particles shows that the collisional model of contacts yields the coexistence of solid and fluid phases while the frictional model represents a uniform flow of fluid phase. However, a comparison between the stress signals from the simulations and experiments revealed that the collisional model would result a proper match with the experimental evidences. Although the effect of gravity is found to beimportant in sedimentation of solid part, the stick-slip behavior associated with the collisional model looks more similar to that of experiments. The mathematical formulations based on the kinetic theory have been derived for the moderatesolid volume fractions with the assumption of the homogeneity of flow. In orderto make some simulations which can provide such an ideal flow, the simulation of unbounded granular shear flows was performed. Therefore, the homogeneous flow properties could be achieved in the moderate solid volume fractions. A new algorithm, namely the nonequilibrium approach was introduced to show the features of self-diffusion in the granular flows. Using this algorithm a one way flow can beextracted from the entire flow, which not only provides a straightforward calculation of self-diffusion coefficient but also can qualitatively determine the deviation of self-diffusion from the linear law at some regions nearby the wall inbounded flows. Anyhow, the average lateral self-diffusion coefficient, which was calculated by the aforementioned method, showed a desirable agreement with thepredictions of kinetic theory formulation. In the continuation of computer simulation of shear granular flows, some numerical and theoretical investigations were carried out on mass transfer and particle interactions in particulate flows. In this context, the boundary element method and its combination with the spectral method using the special capabilities of wavelets have been introduced as theefficient numerical methods to solve the governing equations of mass transfer in particulate flows. A theoretical formulation of fluid dispersivity in suspension flows revealed that the fluid dispersivity depends upon the fluid properties and particle parameters as well as the fluid-particle and particle-particle interactions.

The Dynamics of Force Fluctuations in Shear Granular Flows

Tämän työn tavoitteena oli tutkia rakeisen materiaalin kinematiikkaa ja rakentaa koelaitteisto rakeisen materiaalin leikkausjännitysvirtauksien tutkimiseen. Kokeellisessa osassa on keskitytty sisäisiin voimaheilahteluihin ja niiden ymmärtämiseen. Teoriaosassa on käyty läpi rakeisen materiaalin yleisiä ominaisuuksia ja lisäksi on esitetty kaksi eri tapaa mallintaa fysikaalisien ominaisuuksien heilahteluja rakeisessa materiaalissa. Nämä kaksi esitettyä mallinnusmenetelmää ovat skalaarinen q-malli ja simulointi. Skalaarinen q-malli määrittelee jokaiseen yksittäiseen rakeeseen kohdistuvan jännityksen, rakeen ollessa osa 2- tai 3-dimensionaalista asetelmaa. Tämän mallin perusidea on kuvata jännityksien epähomogeenisuutta, joka johtuu rakeiden satunnaisasettelusta. Simulointimallinnus perustuu event-driven algoritmiin, missä systeemin dynamiikkaa kuvataan yksittäisillä partikkelien törmäyksillä. Törmäyksien vaiheet ratkaistiin käyttämällä liikemääräyhtälöitä ja restituution määritelmää. Teoriaosuudessa käytiin vielä pieniltä osin läpi syitä jännitysheilahteluihin ja rakeisen materiaalin lukkiintumiseen. Tutkimuslaitteistolla tutkittiin rakeisen materiaalin käyttäytymistä rengasmaisessa leikkausjännitysvirtauksessa. Tutkimusosuuden päätavoitteena oli mitata partikkelien kosketuksista ja törmäyksistä johtuvia hetkellisiä voimaheilahteluja rengastilavuuden pohjalta. Rakeisena materiaalina tutkimuksessa käytettiin teräskuulia. Jännityssignaali ajan funktiona osoittaa suurta heilahtelua, joka voi olla jopa kertalukua keskiarvosta suurempaa. Tällainen suuren amplitudin omaava heilahtelu on merkittävä haittapuoli yleisesti rakeisissa materiaaleissa käytettyjen jatkuvuusmallien kanssa. Tällainen heilahtelu tekee käytetyt jatkuvuusmallit epäpäteviksi. Yleisellä tasolla jännityksien todennäköisyysjakauma on yhtäpitävä skalaarisen q-mallin tuloksien kanssa. Molemmissa tapauksissa todennäköisyysjakaumalla on eksponentiaalinen muoto.

Moottorimalliton skalaarisäätö

Työssä tutkitaan nopeusanturittoman vaihtovirtakäytön skalaarisia ohjaus- ja säätömenetelmiä. Työn alussa esitetään perusteoriat taajuusmuuttajista ja oikosulkumoottoreista. Tämän jälkeen esitellään yleisimmin kirjallisuudessa esiintyneet skalaariohjaukset ja –säädöt. Vektorisäätöä ja erityisesti moottoriparametrien vaikutusta säädön toimivuuteen esitellään lyhyesti. Työn tavoitteena on ACS800 taajuusmuuttajan skalaarisäädön tutkiminen. ACS800:n nykyinen skalaarisäätö on liian sidoksissa vektorisäätöön, joten simulointien ja kirjallisuustutkimuksen tarkoituksena on täysin vektorisäädöstä eriytetyn skalaarisäädön kehitysmahdollisuuksien tutkiminen. Kirjallisuudessa esiintyneiden säätöjen avulla muodostetaan diskreettiaikainen toteutus skalaarisäädölle vaihtovirtakäytössä, jossa on käytössä virran ja välipiirijännitteen takaisinkytkentä. Säädettävää moottoria mallinnetaan jatkuvaaikaisella L-sijaiskytkennällä. Välipiirin mallinnus toimii myös jatkuva-aikaisena lukuun ottamatta välipiirin tasavirtakomponenttia, joka muodostetaan virran takaisinkytkennän ja PWM-modulaattorin kytkinasentojen avulla. Simuloinnin tarkoituksena on mallintaa skalaarisäädön suurimpia ongelmia, kuten virta- ja välijännitesäätöä. Tuloksista voidaan päätellä, että perussäädöt toimivat moitteettomasti, mutta erityisesti virtasäätöä tulisi kehittää.

Wavelet Analysis in Turbulence

The objective of this thesis is to study wavelets and their role in turbulence applications. Under scrutiny in the thesis is the intermittency in turbulence models. Wavelets are used as a mathematical tool to study the intermittent activities that turbulence models produce. The first section generally introduces wavelets and wavelet transforms as a mathematical tool. Moreover, the basic properties of turbulence are discussed and classical methods for modeling turbulent flows are explained. Wavelets are implemented to model the turbulence as well as to analyze turbulent signals. The model studied here is the GOY (Gledzer 1973, Ohkitani & Yamada 1989) shell model of turbulence, which is a popular model for explaining intermittency based on the cascade of kinetic energy. The goal is to introduce better quantification method for intermittency obtained in a shell model. Wavelets are localized in both space (time) and scale, therefore, they are suitable candidates for the study of singular bursts, that interrupt the calm periods of an energy flow through various scales. The study concerns two questions, namely the frequency of the occurrence as well as the intensity of the singular bursts at various Reynolds numbers. The results gave an insight that singularities become more local as Reynolds number increases. The singularities become more local also when the shell number is increased at certain Reynolds number. The study revealed that the singular bursts are more frequent at Re ~ 107 than other cases with lower Re. The intermittency of bursts for the cases with Re ~ 106 and Re ~ 105 was similar, but for the case with Re ~ 104 bursts occured after long waiting time in a different fashion so that it could not be scaled with higher Re.

Development of phase retrieval algorithm and techniques for optical spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering is the powerful method of laser spectroscopy in which significant successes are achieved. However, the non-linear nature of CARS complicates the analysis of the received spectra. The objective of this Thesis is to develop a new phase retrieval algorithm for CARS. It utilizes the maximum entropy method and the new wavelet approach for spectroscopic background correction of a phase function. The method was developed to be easily automated and used on a large number of spectra of different substances.. The algorithm was successfully tested on experimental data.

Tehokerrointa korjaava skalaariohjaus puoliohjatussa ja kuusikytkintasasuuntaajassa

Verkon harmonisvirtoja rajoittavien standardien tiukentuessa joudutaan etenkin suuritehoisissa tehoelektronisissa laitteissa siirtymään aktiivisiin transistoriohjattuihin tasasuuntaajiin, jotka korjaavat tehokerrointa ja siten pienentävät verkkoon kytkeytyviä häiriövirtoja. Tässä diplomityössä esitellään yleisimpien kolmivaiheisten tasasuuntaajatopologioiden eroja ja vertaillaan puoliohjatun kolmikytkintopologian ja kuusikytkintopologian suorituskykyä tehokertoimen ja harmonissärön osalta, 16 kilowatin teholuokan taajuusmuuttajassa. Tasasuuntaajille tehtiin skalaariohjaukseen perustuva simulointimalli. Työn tavoitteena esitellään simulointitulokset harmonistason sekä tehokertoimen osalta. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisen yliopiston sovelletun elektroniikan laboratorion ja Vacon Oyj:n yhteiseen hankkeeseen.

Fourier self-deconvolution in coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum analysis

Coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscopy is rapidly developing into a unique microscopic tool in biophysics, biology and the material sciences. The nonlinear nature of CARS spectroscopy complicates the analysis of the received spectra. There were developed mathematical methods for signal processing and for calculations spectra. Fourier self-deconvolution is a special high pass FFT filter which synthetically narrows the effective trace bandwidth features. As Fourier self-deconvolution can effectively reduce the noise, which may be at a higher spatial frequency than the peaks, without losing peak resolution. The idea of the work is to experiment the possibility of using wavelet decomposition in spectroscopic for background and noise removal, and Fourier transformation for linenarrowing.

The European Union and Assembling Biofuel Development – topological investigations concerning the associations between law, policy and space

Biofuels for transport are a renewable source of energy that were once heralded as a solution to multiple problems associated with poor urban air quality, the overproduction of agricultural commodities, the energy security of the European Union (EU) and climate change. It was only after the Union had implemented an incentivizing framework of legal and political instruments for the production, trade and consumption of biofuels that the problems of weakening food security, environmental degradation and increasing greenhouse gases through land-use changes began to unfold. In other words, the difference between political aims for why biofuels are promoted and their consequences has grown – which is also recognized by the EU policy-makers. Therefore, the global networks of producing, trading and consuming biofuels may face a complete restructure if the European Commission accomplishes its pursuit to sideline crop-based biofuels after 2020. My aim with this dissertation is not only to trace the manifold evolutions of the instruments used by the Union to govern biofuels but also to reveal how this evolution has influenced the dynamics of biofuel development. Therefore, I study the ways the EU’s legal and political instruments of steering biofuels are coconstitutive with the globalized spaces of biofuel development. My analytical strategy can be outlined through three concepts. I use the term ‘assemblage’ to approach the operations of the loose entity of actors and non-human elements that are the constituents of multi-scalar and -sectorial biofuel development. ‘Topology’ refers to the spatiality of this European biofuel assemblage and its parts whose evolving relations are treated as the active constituents of space, instead of simply being located in space. I apply the concept of ‘nomosphere’ to characterize the framework of policies, laws and other instruments that the EU applies and construes while attempting to govern biofuels. Even though both the materials and methods vary in the independent articles, these three concepts characterize my analytical strategy that allows me to study law, policy and space associated with each other. The results of my examinations underscore the importance of the instruments of governance of the EU constituting and stabilizing the spaces of producing and, on the other hand, how topological ruptures in biofuel development have enforced the need to reform policies. This analysis maps the vast scope of actors that are influenced by the mechanism of EU biofuel governance and, what is more, shows how they are actively engaging in the Union’s institutional policy formulation. By examining the consequences of fast biofuel development that are spatially dislocated from the established spaces of producing, trading and consuming biofuels such as indirect land use changes, I unfold the processes not tackled by the instruments of the EU. Indeed, it is these spatially dislocated processes that have pushed the Commission construing a new type of governing biofuels: transferring the instruments of climate change mitigation to land-use policies. Although efficient in mitigating these dislocated consequences, these instruments have also created peculiar ontological scaffolding for governing biofuels. According to this mode of governance, the spatiality of biofuel development appears to be already determined and the agency that could dampen the negative consequences originating from land-use practices is treated as irrelevant.