Time consumption analysis of the mechanized cut-to-length harvesting system

[Abstract]

Chaotic Behaviour of Active Magnetic Bearing System by Time Series Analysis

Chaotic behaviour is one of the hardest problems that can happen in nonlinear dynamical systems with severe nonlinearities. It makes the system's responses unpredictable. It makes the system's responses to behave similar to noise. In some applications it should be avoided. One of the approaches to detect the chaotic behaviour is nding the Lyapunov exponent through examining the dynamical equation of the system. It needs a model of the system. The goal of this study is the diagnosis of chaotic behaviour by just exploring the data (signal) without using any dynamical model of the system. In this work two methods are tested on the time series data collected from AMB (Active Magnetic Bearing) system sensors. The rst method is used to nd the largest Lyapunov exponent by Rosenstein method. The second method is a 0-1 test for identifying chaotic behaviour. These two methods are used to detect if the data is chaotic. By using Rosenstein method it is needed to nd the minimum embedding dimension. To nd the minimum embedding dimension Cao method is used. Cao method does not give just the minimum embedding dimension, it also gives the order of the nonlinear dynamical equation of the system and also it shows how the system's signals are corrupted with noise. At the end of this research a test called runs test is introduced to show that the data is not excessively noisy.

Utilization of a Time Domain Simulator in the Technical and Economic Analysis of a Wind Turbine Electric Drive Train

The amount of installed wind power has been growing exponentially during the past ten years. As wind turbines have become a significant source of electrical energy, the interactions between the turbines and the electric power network need to be studied more thoroughly than before. Especially, the behavior of the turbines in fault situations is of prime importance; simply disconnecting all wind turbines from the network during a voltage drop is no longer acceptable, since this would contribute to a total network collapse. These requirements have been a contributor to the increased role of simulations in the study and design of the electric drive train of a wind turbine. When planning a wind power investment, the selection of the site and the turbine are crucial for the economic feasibility of the installation. Economic feasibility, on the other hand, is the factor that determines whether or not investment in wind power will continue, contributing to green electricity production and reduction of emissions. In the selection of the installation site and the turbine (siting and site matching), the properties of the electric drive train of the planned turbine have so far been generally not been taken into account. Additionally, although the loss minimization of some of the individual components of the drive train has been studied, the drive train as a whole has received less attention. Furthermore, as a wind turbine will typically operate at a power level lower than the nominal most of the time, efficiency analysis in the nominal operating point is not sufficient. This doctoral dissertation attempts to combine the two aforementioned areas of interest by studying the applicability of time domain simulations in the analysis of the economicfeasibility of a wind turbine. The utilization of a general-purpose time domain simulator, otherwise applied to the study of network interactions and control systems, in the economic analysis of the wind energy conversion system is studied. The main benefits of the simulation-based method over traditional methods based on analytic calculation of losses include the ability to reuse and recombine existing models, the ability to analyze interactions between the components and subsystems in the electric drive train (something which is impossible when considering different subsystems as independent blocks, as is commonly done in theanalytical calculation of efficiencies), the ability to analyze in a rather straightforward manner the effect of selections other than physical components, for example control algorithms, and the ability to verify assumptions of the effects of a particular design change on the efficiency of the whole system. Based on the work, it can be concluded that differences between two configurations can be seen in the economic performance with only minor modifications to the simulation models used in the network interaction and control method study. This eliminates the need ofdeveloping analytic expressions for losses and enables the study of the system as a whole instead of modeling it as series connection of independent blocks with no lossinterdependencies. Three example cases (site matching, component selection, control principle selection) are provided to illustrate the usage of the approach and analyze its performance.

Post-processing and analysis of tracked hand trajectories

In this thesis, the suitability of different trackers for finger tracking in high-speed videos was studied. Tracked finger trajectories from the videos were post-processed and analysed using various filtering and smoothing methods. Position derivatives of the trajectories, speed and acceleration were extracted for the purposes of hand motion analysis. Overall, two methods, Kernelized Correlation Filters and Spatio-Temporal Context Learning tracking, performed better than the others in the tests. Both achieved high accuracy for the selected high-speed videos and also allowed real-time processing, being able to process over 500 frames per second. In addition, the results showed that different filtering methods can be applied to produce more appropriate velocity and acceleration curves calculated from the tracking data. Local Regression filtering and Unscented Kalman Smoother gave the best results in the tests. Furthermore, the results show that tracking and filtering methods are suitable for high-speed hand-tracking and trajectory-data post-processing.

Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Analysis of Earnings, Stock Prices and Bond Yields: The Fed Model Approach

Prediction of the stock market valuation is a common interest to all market participants. Theoretically sound market valuation can be achieved by discounting future earnings of equities to present. Competing valuation models seek to find variables that affect the equity market valuation in a way that the market valuation can be explained and also variables that could be used to predict market valuation. In this paper we test the contemporaneous relationship between stock prices, forward looking earnings and long-term government bond yields. We test this so-called Fed model in a long- and short-term time series analysis. In order to test the dynamics of the relationship, we use the cointegration framework. The data used in this study spans over four decades of various market conditions between 1964-2007, using data from United States. The empirical results of our analysis do not give support for the Fed model. We are able to show that the long-term government bonds do not play statistically significant role in this relationship. The effect of forward earnings yield on the stock market prices is significant and thus we suggest the use of standard valuation ratios when trying to predict the future paths of equity prices. Also, changes in the long-term government bond yields do not have significant short-term impact on stock prices.

Analysis of outliers in electricity spot prices with exampleof New England and New Zealand markets

Electricity spot prices have always been a demanding data set for time series analysis, mostly because of the non-storability of electricity. This feature, making electric power unlike the other commodities, causes outstanding price spikes. Moreover, the last several years in financial world seem to show that ’spiky’ behaviour of time series is no longer an exception, but rather a regular phenomenon. The purpose of this paper is to seek patterns and relations within electricity price outliers and verify how they affect the overall statistics of the data. For the study techniques like classical Box-Jenkins approach, series DFT smoothing and GARCH models are used. The results obtained for two geographically different price series show that patterns in outliers’ occurrence are not straightforward. Additionally, there seems to be no rule that would predict the appearance of a spike from volatility, while the reverse effect is quite prominent. It is concluded that spikes cannot be predicted based only on the price series; probably some geographical and meteorological variables need to be included in modeling.

Parameter identification in time series models

Time series analysis can be categorized into three different approaches: classical, Box-Jenkins, and State space. Classical approach makes a basement for the analysis and Box-Jenkins approach is an improvement of the classical approach and deals with stationary time series. State space approach allows time variant factors and covers up a broader area of time series analysis. This thesis focuses on parameter identifiablity of different parameter estimation methods such as LSQ, Yule-Walker, MLE which are used in the above time series analysis approaches. Also the Kalman filter method and smoothing techniques are integrated with the state space approach and MLE method to estimate parameters allowing them to change over time. Parameter estimation is carried out by repeating estimation and integrating with MCMC and inspect how well different estimation methods can identify the optimal model parameters. Identification is performed in probabilistic and general senses and compare the results in order to study and represent identifiability more informative way.

Aikasarja-analyysimenetelmien soveltuvuus maakaasun; hinnoittelussa käytettyjen sidonnaisuustekijöiden ennustamisessa: Case Gasum Oy

Tässä tutkielmassatarkastellaan maakaasun hinnoittelussa käytettyjen sidonnaisuustekijöiden hintadynamiikkaa ja niiden vaikutusta maakaasun hinnanmuodostukseen. Pääasiallisena tavoitteena on arvioida eri aikasarjamenetelmien soveltuvuutta sidonnaisuustekijöiden ennustamisessa. Tämä toteutettiin analysoimalla eri mallien ja menetelmien ominaisuuksia sekä yhteen sovittamalla nämä eri energiamuotojen hinnanmuodostuksen erityispiirteisiin. Tutkielmassa käytetty lähdeaineisto on saatu Gasum Oy:n tietokannasta. Maakaasun hinnoittelussa käytetään kolmea sidonnaisuustekijää seuraavilla painoarvoilla: raskaspolttoöljy 50%, indeksi E40 30% ja kivihiili 20%. Kivihiilen ja raskaan polttoöljyn hinta-aineisto koostuu verottomista dollarimääräisistä kuukausittaisista keskiarvoista periodilta 1.1.1997 - 31.10.2004. Kotimarkkinoiden perushintaindeksin alaindeksin E40 indeksi-aineisto, joka kuvaa energian tuottajahinnan kehitystä Suomessa ja koostuu tilastokeskuksen julkaisemista kuukausittaisista arvoista periodilta 1.1.2000 - 31.10.2004. Tutkimuksessa tarkasteltujen mallien ennustuskyky osoittautui heikoksi. Kuitenkin tuloksien perusteella voidaan todeta, että lyhyellä aikavälillä EWMA-malli antoi harhattomimman ennusteen. Muut testatuista malleista eivät kyenneet antamaan riittävän luotettavia ja tarkkoja ennusteita. Perinteinen aikasarja-analyysi kykeni tunnistamaan aikasarjojen kausivaihtelut sekä trendit. Lisäksi liukuvan keskiarvon menetelmä osoittautui jossain määrin käyttökelpoiseksi aikasarjojen lyhyen aikavälin trendien identifioinnissa.

Luottolaitosten oman pääoman määrän muutos ja Basel II

Luottolaitosten pääoman valvonta on tärkeä osa talouden tasapainon säilyttämisessä. Tässä tutkielmassa tutkitaan miten luottolaitosten pääoman sääntelyn Basel II:n säännönmuutokset vuonna 2007 ovat vaikuttaneet luottolaitosten oman pääoman määrään. Muuttuneiden säännösten vaikutuksia selvitetään tutkimalla eurooppalaisten luottolaitosten omavaraisuusasteita ajalla 1999 – 2009 yleistetyllä lineaarisella regressiolla ja autoregressiivisellä aikasarjamallinnuksella. Talouden suhdanteiden ja vuonna 2007 alkaneen finanssikriisin vaikutukset pääoman määrään huomioidaan bruttokansantuotteen kasvun avulla analyysissa. Tuloksena todetaan, että oman pääoman määrä luottolaitoksissa on vähentynyt merkitsevästi Basel II:n voimaan astumisen jälkeen, mutta muutos on luultavasti aiheutunut talouden laskusuhdanteesta.

Teollisuusprosessien signaalien automaattinen analysointi

Diplomityössä kehitettiin menetelmiä teollisuusprosessien signaalien automaattiseen havainnointiin ja luotiin työkalu tulosten esittämiseen. Työn tarkoituksena on nopeuttaa ja helpottaa prosessin ongelmien ratkaisua luokittelemalla signaalit matemaattisten menetelmien avulla. Koska prosessin mittaussignaalit ovat pääasiassa stokastisia, eli niitä ei voida etukäteen ennustaa, käsitellään signaaleita tilastomatemaattisin keinoin. Työstä rajattiin mittaushistorian käyttö, joten värähtelyiden tunnistus toteutettiin taajuusanalyysin avulla. Korrelaation avulla löydetään samankaltaiset signaalit. Testeissä todettiin, että työssä kehitetyt havainnoinnit toimivat eri näytteenottotaajuuksilla ja työkalun suoritusnopeus todettiin hyväksi. Lopuksi esiteltiin todellinen teollisuusprosessin ongelma ja siihen mahdollisia ratkaisuja.

Orthogonal function method in modelling paper web quality variation

This work is devoted to the analysis of signal variation of the Cross-Direction and Machine-Direction measurements from paper web. The data that we possess comes from the real paper machine. Goal of the work is to reconstruct the basis weight structure of the paper and to predict its behaviour to the future. The resulting synthetic data is needed for simulation of paper web. The main idea that we used for describing the basis weight variation in the Cross-Direction is Empirical Orthogonal Functions (EOF) algorithm, which is closely related to Principal Component Analysis (PCA) method. Signal forecasting in time is based on Time-Series analysis. Two principal mathematical procedures that we used in the work are Autoregressive-Moving Average (ARMA) modelling and Ornstein–Uhlenbeck (OU) process.

Reaaliaikaisen esikäsittelyn kehittäminen hemiselluloosa-analytiikalle

Tämän työn tavoitteena oli kehittää esikäsittelymenetelmä, jolla voidaan reaaliaikaisesti vähentää hydrolysaatin ligniinipitoisuutta ja näin vähentää fluoresenssia hemiselluloosan analysoimisessa. Työn kirjallisuusosassa käsitellään hemiselluloosien rakennetta sekä niiden erottamista puusta, sekä käydään läpi hemiselluloosien käyttömahdollisuuksia ja niiden reaaliaikaiseen analysointiin soveltuvia tekniikoita. Kokeellisessa osassa tutkittiin ultrasuodatusta sekä adsorptiohartsikäsittelyä hydrolysaatin esikäsittelynä ennen Raman-analyysiä. Esikäsittelyn tavoitteena oli vähentää Raman-analyysia häiritsevää ligniinistä johtuvaa fluoresenssia. Suodatukset tehtiin Amicon-suodatuslaitteistolla käyttäen viittä eri suodatuskalvoa. Hartsikäsittelyissä käytettiin Amberliten XAD16 ja XAD7HP adsorbtiohartseja. Hartsisuhteina käytettiin 1/80, 1/40, 1/19 ja 1/13. Käytetyt ultrauodatuskalvot osoittautuivat suodatusnäytteistä tehtyjen HPLC-analyysien perusteella cut-off-luvultaan liian pieniksi, sillä hemiselluloosien ja ligniinin erotus ei onnistunut, vaan molemmat väkevöityivät konsentraattiin. Hartsikäsittelyillä saatiin ligniiniä poistettua aiheuttamatta hemiselluloosahäviöitä. Parhaimmillaan ligniinin poistumista kuvaava UV-absorbanssi pieneni hartsilla XAD16 37 % ja hartsilla XAD7 25 %. Vaikka ligniinipitoisuus aleni, näytteet fluoresoivat edelleen voimakkaasti Raman-mittauksessa. Tulosten perusteella näyttäisi siltä, että hartsikäsittelyä optimoimalla analyysiä häiritsevää fluoresenssia olisi edelleen mahdollista vähentää.

Mädätysjäännöksen rakeistus, terminen kuivaus ja energiahyötykäyttö

Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa alueellisen jäteyhtiön Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia rakeistaa ja termisesti kuivata mekaanisesti kuivattua mädätysjäännöstä sekä mahdollisuuksia toimittaa termisesti kuivattua materiaalia energiahyötykäyttöön. Tutkimuksessa selvitettiin myös kokemuksia lattialämmityksen käyttämisestä mädätysjäännöksen kuivaukseen. Tutkimuksessa perehdyttiin erilaisiin rakeistus- ja kuivausmenetelmiin sekä termisen kuivurin valintaan vaikuttaviin asioihin. Kuvaukset perustuvat kirjallisuudesta ja internetistä saatuihin tietoihin. Tekniikkakuvausten pohjalta lähdettiin kyselemään tarjouksia termisiä kuivauslaitteistoja myyviltä yrityksiltä. Tarjoukset pyydettiin kuiva-ainepitoisuuden muutokselle 30 %:sta 90 %:iin ja oletettiin, että kuivaukseen on käytettävissä lämpöä viideltä kaatopaikkakaasua käyttävältä mikroturbiinilta. Tutkimuksen aikana saatiin tarjous kuudelta yritykseltä. Saadut tarjoukset esiteltiin tiivistetysti raportissa ja kokonaisuudessaan ne sisällytettiin Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Yritykset antoivat hyvin erilaisia tietoja siitä, mitä tarjoukseen sisältyy, joten tarjoukset eivät olleet suoraan vertailukelpoisia. Tarjouksista myös havaittiin, että jos Mäkikylän biokaasulaitokselta vastaanotettaisiin enimmäismäärä (19 500 t/a) mädätysjäännöstä, mikroturbiineilta saatava lämpömäärä ei riittäisi kuivaamaan kaikkea mädätysjäännöstä 90 % kuiva-ainepitoisuuteen. Tutkimuksen aikana huomattiin myös, että sitovan tarjouksen saamiseksi mädätysjäännös tulee toimittaa testattavaksi, jolloin saadaan vahvistus kuivausmenetelmän soveltuvuudesta kyseiselle materiaalille. Tutkimuksessa selvitettiin myös, minkälaisia kokemuksia löytyy lattialämmityksen käyttämisestä kuivaukseen niin Suomesta kuin maailmalta ja voiko menetelmää käyttää mädätysjäännöksen kuivaukseen. Kyseistä menetelmää on käytetty tehostamaan aurinkokuivausta, joten tutkimuksen aikana perehdyttiin erityisesti aurinkokuivaukseen liittyviin tieteellisiin artikkeleihin. Lattialämmityksen käytöstä löytyi niin heikkouksia kuin vahvuuksia. Suomessa aurinkokuivauksen ja lattialämmityksen yhdistelmä ei ole kuitenkaan päätynyt laajaan käyttöön ja syynä voidaan nähdä muun muassa kylmät ja pimeät vuodenajat sekä suuri pinta-alan tarve. Tutkimusraportissa selvitettiin lisäksi polttolaitosten edustajien kiinnostusta ja rajoituksia ottaa vastaan termisesti kuivattua mädätysjäännöstä. Tutkimuksen aikana otettiin yhteyttä alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä sijaitsevien jätteenpolttoluvan omaavien yritysten edustajiin. Saatuja vastauksia käsiteltiin tiivistetysti raportissa ja vastaukset sisällytettiin kokonaisuudessaan Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Puhelinhaastattelujen pohjalta nähtiin, että yrityksillä on kiinnostusta materiaalia kohtaan, mutta samalla vastauksiin vaikuttavat mädätysjäännöksen analyysitulokset. Poltto-ominaisuuksiin liittyvät analyysit tullaan toteuttamaan vuoden 2012 aikana. Laitoksilla oli myös vaihtelevia rajoituksia materiaalia kohtaan, mutta analyysituloksista riippuen materiaalia voidaan hyödyntää energiana tuhansia tai jopa kymmeniä tuhansia tonneja vuodessa alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä.