Analysis of Lead-Acid batteries with a third-order dynamical model

Electrical energy storage is a really important issue nowadays. As electricity is not easy to be directly stored, it can be stored in other forms and converted back to electricity when needed. As a consequence, storage technologies for electricity can be classified by the form of storage, and in particular we focus on electrochemical energy storage systems, better known as electrochemical batteries. Largely the more widespread batteries are the Lead-Acid ones, in the two main types known as flooded and valve-regulated. Batteries need to be present in many important applications such as in renewable energy systems and in motor vehicles. Consequently, in order to simulate these complex electrical systems, reliable battery models are needed. Although there exist some models developed by experts of chemistry, they are too complex and not expressed in terms of electrical networks. Thus, they are not convenient for a practical use by electrical engineers, who need to interface these models with other electrical systems models, usually described by means of electrical circuits. There are many techniques available in literature by which a battery can be modeled. Starting from the Thevenin based electrical model, it can be adapted to be more reliable for Lead-Acid battery type, with the addition of a parasitic reaction branch and a parallel network. The third-order formulation of this model can be chosen, being a trustworthy general-purpose model, characterized by a good ratio between accuracy and complexity. Considering the equivalent circuit network, all the useful equations describing the battery model are discussed, and then implemented one by one in Matlab/Simulink. The model has been finally validated, and then used to simulate the battery behaviour in different typical conditions.

Gestione del magazzino di un provider logistico: modello e simulazione in linguaggio Arena

La tesi si pone l'obiettivo di mappare le attività all'interno del magazzino di un operatore logistico, dalla consegna della merce da parte dei committenti, al flusso di ritorno dei pallet vuoti dai punti di consegna, attraverso la modellazione e la simulazione in linguaggio Arena. Dopo aver analizzato il ruolo e la posizione occupata da un provider logistico lungo la catena distributiva, è esposto il caso preso in considerazione, mediante lo studio dei committenti e dei punti di consegna serviti. Viene poi mappato nel dettaglio il processo di gestione all'interno del magazzino e approfonditi due aspetti principali: i costi di gestione e trasporto a carico dell'operatore e la gestione dei mezzi utilizzati per effettuare le consegne. Chiarito il sistema reale, si passa al modello in Arena. Al termine della simulazione, svoltasi in un adeguato orizzonte temporale, dall'analisi dei risultati sarà possibile trarre delle conclusioni al fine di migliorare l'efficienza del processo.

Fault diagnosis of an automotive suspension system

With the development of the embedded application and driving assistance systems, it becomes relevant to develop parallel mechanisms in order to check and to diagnose these new systems. In this thesis we focus our research on one of this type of parallel mechanisms and analytical redundancy for fault diagnosis of an automotive suspension system. We have considered a quarter model car passive suspension model and used a parameter estimation, ARX model, method to detect the fault happening in the damper and spring of system. Moreover, afterward we have deployed a neural network classifier to isolate the faults and identifies where the fault is happening. Then in this regard, the safety measurements and redundancies can take into the effect to prevent failure in the system. It is shown that The ARX estimator could quickly detect the fault online using the vertical acceleration and displacement sensor data which are common sensors in nowadays vehicles. Hence, the clear divergence is the ARX response make it easy to deploy a threshold to give alarm to the intelligent system of vehicle and the neural classifier can quickly show the place of fault occurrence.

la fabbrica automatica e i sistemi di controllo integrati

Lo scopo della presente tesi è quello di illustrare alcuni dei principali strumenti messi a disposizione dai controlli automatici a servizio dell’ingegneria, in particolare analizzando la struttura generale di una fabbrica automatica e descrivendone i principali sistemi di controllo. L’elaborato è suddiviso in tre macro parti: la prima ha l’obiettivo di inquadrare quella che è la fabbrica automatica, partendo dal precedente concetto di fabbrica tradizionale fino ad arrivare alla fabbrica moderna, caratterizzata da una spinta flessibilità produttiva determinata da una politica di produzione per lotti con elevati livelli di caratterizzazione. Della fabbrica automatica viene poi approfondita l’integrazione con i calcolatori attraverso il sistema concettuale del CIM, Computer Integrated Manufacturing, e l’impiego di celle di fabbricazione flessibili, ovvero le FMS, Flexible Manufacturing System. La seconda parte è incentrata sull’analisi delle logiche di controllo impiegate all’interno di tutto il processo di progettazione e di produzione, suddivise in tre gruppi: il primo focalizzato sui sistemi per la produzione automatica, NC e DNC; il secondo sui sistemi di simulazione e testing del prodotto, CAD, CAM e CAT; il terzo sui sistemi di controllo e sviluppo dati, SCADA, MES e DCS. La terza ed ultima parte è circoscritta all’approfondimento di un particolare sistema di controllo per la gestione dei processi, ovvero sull’uso del PLC, il Controllore Logico Programmabile. Vengono analizzate le componenti fisiche che lo costituiscono, il funzionamento base, i tempi di esecuzione delle istruzioni, i criteri di scelta e di dimensionamento ed altri aspetti rilevanti. Infine è presente un esempio applicativo di alcuni aspetti sovra citati con il caso dell’azienda bolognese G.D, leader del settore delle macchine automatiche a controllo numerico per la fabbricazione e l’impacchettamento delle sigarette.

Control and navigation of a rover for agricultural purposes

L’obiettivo di questa tesi è di descrivere e implementare via software un modello di rover autonomo per uso in ambito agricolo. La scelta di questo argomento deriva dal fatto che al laboratorio CASY dell’Università di Bologna è stato commissionato un robot che possa aiutare piccoli imprenditori agricoli a essere competitivi con i più grandi. Le funzionalità che il robot avrà, una volta ultimato, andranno dal tagliare l’erba allo spruzzare fertilizzante sugli alberi da frutto. Questa tesi si interessa del progetto del sistema di navigazione. Inizialmente viene introdotto il modello cinematico e in particolare la configurazione differential drive in cui il rover rientra. Successivamente viene elaborato un sistema di controllo basato sulla linearizzazione statica del feedback. Una volta completati il modello e il sistema di controllo si procede con la generazione di traiettoria: vengono analizzati e confrontati alcuni algoritmi per l’inseguimento di una traiettoria definita tramite waypoint. Infine è presentato un algoritmo per la navigazione all’interno di un campo di filari di alberi da frutto. Le uniche informazioni esterne disponibili in questo contesto sono le rilevazioni di sensori di distanza frontali e laterali, in quanto un GPS sarebbe troppo impreciso per gli scopi. Questa tesi costituisce la base per ulteriori sviluppi del progetto. In particolare la realizzazione di un programma di supervisione che stabilisca la modalità di moto da attuare e programmi specifici per le varie funzionalità agricole del rover.

Integration of robotic inverse kinematic routines in an algorithmic 3D modeling software

An industrial manipulator equipped with an automatic clay extruder is used to realize a machine that can manufacture additively clay objects. The desired geometries are designed by means of a 3D modeling software and then sliced in a sequence of layers with the same thickness of the extruded clay section. The profiles of each layer are transformed in trajectories for the extruder and therefore for the end-effector of the manipulator. The goal of this thesis is to improve the algorithm for the inverse kinematic resolution and the integration of the routine within the development software that controls the machine (Rhino/Grasshopper). The kinematic model is described by homogeneous transformations, adopting the Denavit-Hartenberg standard convention. The function is implemented in C# and it has been preliminarily tested in Matlab. The outcome of this work is a substantial reduction of the computation time relative to the execution of the algorithm, which is halved.

Modeling and analysis of a zipping elastomeric actuator

This thesis introduces and analyzes a dielectric elastomer actuator (DEA) working in zipping mode. Electrostatic zipping is a very familiar actuation principle used in silicon micro-electro-mechanical systems. With lower voltage supply, electrostatic zipping can provide great performance for forces and displacements of an elastic membrane. Applying this principle to dielectric elastomers, the softness of the material will provide better compliance compared to silicon materials. After the presentation of an analytical model, this thesis investigates how system geometry and elastomer pre-tensioning affect system response. Results highlight how a proper selection of system parameters makes it possible to improve system regulation and reduce operating voltage requirements. Potential applications of zipping DEAs are for microfluidic control and electro-forming.

Studio con HEC-RAS di alcuni interventi per miglioramenti della funzionalità idraulica nel territorio del Consorzio di Bonifica della Romagna

Nel lavoro di tesi vengono esposti gli studi svolti su due aree situate nella giurisdizione riminese del Consorzio di Bonifica, riportanti forti problematiche idrauliche nelle reti di scolo: il territorio dei canali Tamagnino e Zonara Masere ed il Rio Gessi. La modellazione dei tratti è avvenuta attraverso i software Hec-Ras ed Hec-Hms, realizzati rispettivamente per l’analisi dei corsi d’acqua nelle pianure alluvionali attraverso la modellazione dell’evoluzione dei livelli e della corrente e per l’analisi dell’idrologia delle superfici di bacino. Il primo studio è dovuto a problematiche verificatesi fin dal 2014 causate da una variazione d’uso del suolo, il secondo studio è dovuto a dissesti idraulici iniziati nel 2013 causati alla presenza di un tombinamento che provoca l’ostruzione del tratto verso valle. Si esegue la modellazione dello stato di fatto per identificare le sezioni ed i manufatti problematici, in secondo luogo si realizzano le modellazioni delle ipotesi di progetto. Si definiscono infine le soluzioni praticabili e la spesa ipotizzata a seguito della realizzazione di un computo metrico estimativo.

Modelli e Algoritmi per Problemi di Coloring con il Linguaggio AMPL

Come il titolo suggerisce, due sono gli aspetti oggetto di questo elaborato: i modelli e gli algoritmi (con le rispettive criticità), e il linguaggio di modellazione AMPL. Il filo conduttore che integra le due parti, nonché mezzo ultimo per un’applicazione pratica dell’attività di modellazione, è l’ottimizzatore, la ”macchina” che effettua la risoluzione vera e propria dei suddetti modelli.

Il modello geotecnico delle strutture arginali in sponda sinistra del Po presso Dosolo (MN) per la verifica delle condizioni di stabilità delle scarpate lato fiume.

Nell’Ottobre 2015, a seguito di alcuni fenomeni di instabilità avvenuti in corrispondenza delle scarpate lato fiume in sponda sinistra del Po, nel tratto compreso tra Casalmaggiore (CR) e Dosolo (MN), l'Agenzia Interregionale per il fiume Po (AIPO) ha commissionato un' estesa campagna di indagini geognostiche. L'ampio database reso disponibile è stato utilizzato in questa tesi di laurea con l'obiettivo di sviluppare, in collaborazione con i tecnici AIPO, una valida procedura per analizzare i dissesti delle scarpate lato fiume in questo tratto del Po e per identificare gli eventuali interventi di messa in sicurezza più idonei. Lo studio proposto si prefigge i seguenti obiettivi: • La caratterizzazione geotecnica dei terreni costituenti le strutture arginali in esame ed il relativo substrato; • La definizione del modello geotecnico del sistema arginale; • La valutazione della stabilità dell'argine; • La individuazione degli interventi di messa in sicurezza delle scarpate. Attraverso l’elaborazione delle prove CPTU è stato possibile determinare la stratigrafia e i parametri geotecnici delle diverse unità stratigrafiche presenti nelle sezioni considerate significative. Sono state quindi effettuate una serie di analisi con il metodo all'equilibrio limite, verificando la stabilità delle scarpate in condizioni di magra ordinaria e in condizioni di rapido svaso. Tenendo conto che la maggior parte dei tratti analizzati aveva già manifestato segni di instabilità o comunque indicava condizioni prossime al limite dell’equilibrio, si è proceduto in "back analysis" alla individuazione dei parametri di resistenza al taglio operativi, tenendo conto della variabilità degli stessi nell'ambito di una stessa unità stratigrafica. Infine tenendo presente i criteri di progetto degli interventi normalmente adottati sulle sponde, è stato possibile procedere alla modellazione di interventi mirati ad aumentare il fattore di sicurezza, analizzandone i relativi vantaggi e svantaggi.

Analisi e riprogettazione dei processi aziendali in un’azienda di Global Service. Il caso A.C.R. S.p.A.

La tesi tratta dell'analisi e della riprogettazione dei processi in un'azienda di global service. Vengono pertanto illustrati le principali metodologie e teorie riguardanti il process management e gli strumenti di supporto più utilizzati per la modellazione dei processi. Viene inoltre presentato il caso riguardante l'azienda ACR SpA, in cui si è eseguita la riprogettazione dei processi critici al fine di migliorare sensibilmente i principali parametri di performance del sistema. Tale riprogettazione è stata finalizzata all'introduzione di un sistema di document management all'interno delle principali funzioni aziendali, grazie a cui si è potuto razionalizzare e automatizzare i processi ritenuti critici ottenendo una sensibile riduzione dei relativi lead time e costi di processo, quantificata attraverso KPI definiti ad hoc. In conclusione la tesi ha permesso di illustrare con un caso pratico l'applicazione degli strumenti di business process reengineering, evidenziandone i pregi e ribadendo l'importanza della continua ricerca di efficienza all'interno dei processi di business aziendali.

Leap Aided Modelling (LAM) in Blender

L'evoluzione tecnologica e l'utilizzo crescente della computer grafica in diversi settori stanno suscitando l'interesse di sempre più persone verso il mondo della modellazione 3D. I software di modellazione, tuttavia, si presentano spesso inadeguati all'utilizzo da parte di utenti senza esperienza, soprattutto a causa dei comandi di navigazione e modellazione poco intuitivi. Dal punto di vista dell'interazione uomo-computer, questi software devono infatti affrontare un grande ostacolo: il rapporto tra dispositivi di input 2D (come il mouse) e la manipolazione di una scena 3D. Il progetto presentato in questa tesi è un addon per Blender che consente di utilizzare il dispositivo Leap Motion come ausilio alla modellazione di superfici in computer grafica. L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare e realizzare un'interfaccia user-friendly tra Leap e Blender, in modo da potere utilizzare i sensori del primo per facilitare ed estendere i comandi di navigazione e modellazione del secondo. L'addon realizzato per Blender implementa il concetto di LAM (Leap Aided Modelling: modellazione assistita da Leap), consentendo quindi di estendere le feature di Blender riguardanti la selezione, lo spostamento e la modifica degli oggetti in scena, la manipolazione della vista utente e la modellazione di curve e superfici Non Uniform Rational B-Splines (NURBS). Queste estensioni sono state create per rendere più veloci e semplici le operazioni altrimenti guidate esclusivamente da mouse e tastiera.

A ROS-based Workspace Control and Trajectory Planner for a seven degrees of freedom Robotic arm

In this Bachelor Thesis I want to provide readers with tools and scripts for the control of a 7DOF manipulator, backed up by some theory of Robotics and Computer Science, in order to better contextualize the work done. In practice, we will see most common software, and developing environments, used to cope with our task: these include ROS, along with visual simulation by VREP and RVIZ, and an almost "stand-alone" ROS extension called MoveIt!, a very complete programming interface for trajectory planning and obstacle avoidance. As we will better appreciate and understand in the introduction chapter, the capability of detecting collision objects through a camera sensor, and re-plan to the desired end-effector pose, are not enough. In fact, this work is implemented in a more complex system, where recognition of particular objects is needed. Through a package of ROS and customized scripts, a detailed procedure will be provided on how to distinguish a particular object, retrieve its reference frame with respect to a known one, and then allow navigation to that target. Together with technical details, the aim is also to report working scripts and a specific appendix (A) you can refer to, if desiring to put things together.

Progettazione e implementazione di una incarnazione biochimica per il simulatore Alchemist

Scopo di questo elaborato di tesi è la modellazione e l’implementazione di una estensione del simulatore Alchemist, denominata Biochemistry, che permetta di simulare un ambiente multi-cellulare. Al fine di simulare il maggior numero possibile di processi biologici, il simulatore dovrà consentire di modellare l’eterogeneità cellulare attraverso la modellazione di diversi aspetti dei sistemi cellulari, quali: reazioni intracellulari, segnalazione tra cellule adiacenti, giunzioni cellulari e movimento. Dovrà, inoltre, essere ammissibile anche l’esecuzione di azioni impossibili nel mondo reale, come la distruzione o la creazione dal nulla di molecole chimiche. In maniera più specifica si sono modellati ed implementati i seguenti processi biochimici: creazione e distruzione di molecole chimiche, reazioni biochimiche intracellulari, scambio di molecole tra cellule adiacenti, creazione e distruzione di giunzioni cellulari. È stata dunque posta particolare enfasi nella modellazione delle reazioni tra cellule vicine, il cui meccanismo è simile a quello usato nella segnalazione cellulare. Ogni parte del sistema è stata modellata seguendo fenomeni realmente presenti nei sistemi multi-cellulari, e documentati in letteratura. Per la specifica delle reazioni chimiche, date in ingresso alla simulazione, è stata necessaria l’implementazione di un Domain Specific Language (DSL) che consente la scrittura di reazioni in modo simile al linguaggio naturale, consentendo l’uso del simulatore anche a persone senza particolari conoscenze di biologia. La correttezza del progetto è stata validata tramite test compiuti con dati presenti in letteratura e inerenti a processi biologici noti e ampiamente studiati.

Un nuovo modello computazionale di fibra di Purkinje umana: dal modello medio alla popolazione di modelli e ritorno.

Il lavoro presentato in questa tesi è stato svolto presso il Department of Computer Science, University of Oxford, durante il mio periodo all’estero nel Computational Biology Group. Scopo del presente lavoro è stato lo sviluppo di un modello matematico del potenziale d’azione per cellule umane cardiache di Purkinje. Tali cellule appartengono al sistema di conduzione elettrico del cuore, e sono considerate molto importanti nella genesi di aritmie. Il modello, elaborato in linguaggio Matlab, è stato progettato utilizzando la tecnica delle Popolazione di Modelli, un innovativo approccio alla modellazione cellulare sviluppato recentemente proprio dal Computational Biology Group. Tale modello è stato sviluppato in 3 fasi: • Inizialmente è stato sviluppato un nuovo modello matematico di cellula umana del Purkinje cardiaco, tenendo in considerazione i modelli precedenti disponibili in letteratura e le più recenti pubblicazioni in merito alle caratteristiche elettrofisiologiche proprie della cellula cardiaca umana di Purkinje. Tale modello è stato costruito a partire dall’attuale gold standard della modellazione cardiaca ventricolare umana, il modello pubblicato da T. O’Hara e Y. Rudy nel 2011, modificandone sia le specifiche correnti ioniche che la struttura interna cellulare. • Il modello così progettato è stato, poi, utilizzato come “modello di base” per la costruzione di una popolazione di 3000 modelli, tramite la variazione di alcuni parametri del modello all’interno di uno specifico range. La popolazione così generata è stata calibrata sui dati sperimentali di cellule umane del Purkinje. A valle del processo di calibrazione si è ottenuta una popolazione di 76 modelli. • A partire dalla popolazione rimanente, è stato ricavato un nuovo modello ai valori medi, che riproduce le principali caratteristiche del potenziale d’azione di una cellula di Purkinje cardiaca umana, e che rappresenta il dataset sperimentale utilizzato nel processo di calibrazione.