Whole ship energy optimization: the case study of a chemical tanker

La presente dissertazione investiga la possibilità di ottimizzare l’uso di energia a bordo di una nave per trasporto di prodotti chimici e petrolchimici. Il software sviluppato per questo studio può essere adattato a qualsiasi tipo di nave. Tale foglio di calcolo fornisce la metodologia per stimare vantaggi e miglioramenti energetici, con accuratezza direttamente proporzionale ai dati disponibili sulla configurazione del sistema energetico e sui dispositivi installati a bordo. Lo studio si basa su differenti fasi che permettono la semplificazione del lavoro; nell’introduzione sono indicati i dati necessari per svolgere un’accurata analisi ed è presentata la metodologia adottata. Inizialmente è fornita una spiegazione sul layout dell’impianto, sulle sue caratteristiche e sui principali dispositivi installati a bordo. Vengono dunque trattati separatamente i principali carichi, meccanico, elettrico e termico. In seguito si procede con una selezione delle principali fasi operative della nave: è seguito tale approccio in modo da comprendere meglio la ripartizione della richiesta di potenza a bordo della nave e il suo sfruttamento. Successivamente è svolto un controllo sul dimensionamento del sistema elettrico: ciò aiuta a comprendere se la potenza stimata dai progettisti sia assimilabile a quella effettivamente richiesta sulla nave. Si ottengono in seguito curve di carico meccanico, elettrico e termico in funzione del tempo per tutte le fasi operative considerate: tramite l’uso del software Visual Basic Application (VBA) vengono creati i profili di carico che possono essere gestiti nella successiva fase di ottimizzazione. L’ottimizzazione rappresenta il cuore di questo studio; i profili di potenza ottenuti dalla precedente fase sono gestiti in modo da conseguire un sistema che sia in grado di fornire potenza alla nave nel miglior modo possibile da un punto di vista energetico. Il sistema energetico della nave è modellato e ottimizzato mantenendo lo status quo dei dispositivi di bordo, per i quali sono considerate le configurazioni di “Load following”, “two shifts” e “minimal”. Una successiva investigazione riguarda l’installazione a bordo di un sistema di accumulo di energia termica, così da migliorare lo sfruttamento dell’energia disponibile. Infine, nella conclusione, sono messi a confronto i reali consumi della nave con i risultati ottenuti con e senza l’introduzione del sistema di accumulo termico. Attraverso la configurazione “minimal” è possibile risparmiare circa l’1,49% dell’energia totale consumata durante un anno di attività; tale risparmio è completamente gratuito poiché può essere raggiunto seguendo alcune semplici regole nella gestione dell’energia a bordo. L’introduzione di un sistema di accumulo termico incrementa il risparmio totale fino al 4,67% con un serbatoio in grado di accumulare 110000 kWh di energia termica; tuttavia, in questo caso, è necessario sostenere il costo di installazione del serbatoio. Vengono quindi dibattuti aspetti economici e ambientali in modo da spiegare e rendere chiari i vantaggi che si possono ottenere con l’applicazione di questo studio, in termini di denaro e riduzione di emissioni in atmosfera.

Progetto concettuale, ottimizzazione e modellazione CAD di motore Stirling per applicazioni aerospaziali

Nei decenni passati sono stati svolti numerosi studi su sistemi di generazione di potenza elettrica da applicare al settore spaziale, in particolar modo a satelliti e sonde. Ne sono un esempio le analisi riportate dalla Nasa oppure quelle condotte in paesi come il Giappone dall’agenzia spaziale JAXA. Uno dei sistemi spesso utilizzati per generare potenza elettrica si basa sull’applicazione di motori Stirling accoppiati ad un generatore lineare; la differenza di temperatura necessaria per il funzionamento del motore è ottenuta tramite il calore fornito dai radioisotopi di plutonio 238, mentre il raffreddamento del motore avviene mediante scambio termico con l’ambiente esterno.

Sviluppo di una strategia per l’individuazione di squilibri di titolo tra cilindri di un motore a combustione interna

L’oggetto di questa tesi è l’individuazione di un metodo in grado di rilevare uno squilibrio cilindrico rilevante in un motore a combustione interna ad accensione comandata, sovralimentato dinamicamente. Il progetto si basa sull’osservazione sperimentale di un forte incremento dei valori assunti da indici basati sulla differenza dei tempi dente della ruota fonica, al manifestarsi di un brusco squilibrio di titolo in uno dei quattro cilindri. Ciò ha permesso di rilevare eventuali sbilanciamenti di titolo mediante una diagnosi intrusiva in grado di esaltarli. Questa metodologia a differenza di quelle basate sul segnale proveniente dalla sonda lambda, non risente del problema del mixing dei pacchetti di gas combusti all’interno della turbina. Il lavoro di tesi è consistito nel concepire un indice di rilevamento capace di esaltare il fenomeno sopra descritto, nel creare in ambiente Matlab-Simulink un modello che simuli la strategia in questione e renda possibile la realizzazione di un prototipo, per mezzo del quale è stata validata la strategia a bordo del veicolo. This thesis proposes a methodology to detect a relevant cylinder imbalance by means of flywheel speed fluctuation analysis in a turbocharged internal combustion engine. The main idea behind this project is the evidence that every time a significant cylinder imbalance is present, it is noticed an important increase of index based on tooth time sampled via flywheel. For this reason, it is possible to develop an intrusive strategy, which higliaghts a possible cylinder imbalance presence, in order to detect it. This method, unlike others based on the signal coming from Lambda sensor, doesn’t suffer from the presence of exhaust gases mixing effect inside the turbine. The objective of this thesis is to conceive a detection index able to put in evidence the phenomena described above, and to design a model inside the Matlab-Simulink environment, able to simulate the strategy and to make possible tests on the vehicle by means of a prototype.

Un ambiente integrato basato sul calcolo degli eventi per il riconoscimento di pose mediante kinect

In questo lavoro di tesi si è sviluppato un sistema di supporto al fisioterapista per la definizione degli esercizi da far eseguire al paziente che consenta di automatizzare il controllo della corretta esecuzione degli esercizi stessi da parte del paziente. Si è realizzato un linguaggio per codificare gli esercizi ed un editor per poterli esprimere, attraverso il linguaggio, da parte dello specialista. E' stato realizzato un motore che riesca a valutare in modo automatico se il paziente sta eseguendo correttamente gli esercizi proposti, confrontando le pose riconosciute utilizzando il sensore Microsoft Kinect con le pose degli esercizi definiti attraverso l'editor. Il filo conduttore per la realizzazione del linguaggio e del motore è stata la teoria del Calcolo degli Eventi, estesa con il concetto di aspettativa.

Studio, simulazione e verifica sperimentale di tecniche di controllo per convertitori multilivello modulari

L’evoluzione dei componenti elettronici di potenza ed il conseguente sviluppo dei convertitori statici dell’energia elettrica hanno consentito di ottenere un’elevata efficienza energetica, sia nell’ambito degli azionamenti elettrici, sia nell’ambito della trasmissione e distribuzione dell’energia elettrica. L’efficienza energetica è una questione molto importante nell’attuale contesto storico, in quanto si sta facendo fronte ad una elevatissima richiesta di energia, sfruttando prevalentemente fonti di energia non rinnovabili. L’introduzione dei convertitori statici ha reso possibile un notevolissimo incremento dello sfruttamento delle fonti di energia rinnovabili: si pensi ad esempio agli inverter per impianti fotovoltaici o ai convertitori back to back per applicazioni eoliche. All’aumentare della potenza di un convertitore aumenta la sua tensione di esercizio: le limitazioni della tensione sopportabile dagli IGBT, che sono i componenti elettronici di potenza di più largo impiego nei convertitori statici, rendono necessarie modifiche strutturali per i convertitori nei casi in cui la tensione superi determinati valori. Tipicamente in media ed alta tensione si impiegano strutture multilivello. Esistono più tipi di configurazioni multilivello: nel presente lavoro è stato fatto un confronto tra le varie strutture esistenti e sono state valutate le possibilità offerte dall’architettura innovativa Modular Multilevel Converter, nota come MMC. Attualmente le strutture più diffuse sono la Diode Clamped e la Cascaded. La prima non è modulare, in quanto richiede un’apposita progettazione in relazione al numero di livelli di tensione. La seconda è modulare, ma richiede alimentazioni separate e indipendenti per ogni modulo. La struttura MMC è modulare e necessita di un’unica alimentazione per il bus DC, ma la presenza dei condensatori richiede particolare attenzione in fase di progettazione della tecnica di controllo, analogamente al caso del Diode Clamped. Un esempio di possibile utilizzo del convertitore MMC riguarda le trasmissioni HVDC, alle quali si sta dedicando un crescente interesse negli ultimi anni.

Integrazione di algoritmi di visione basati su flusso ottico per il controllo di un velivolo senza pilota

Il lavoro svolto in questa tesi si colloca nell’area della robotica aerea e della visione artificiale attraverso l’integrazione di algoritmi di visione per il controllo di un velivolo senza pilota. Questo lavoro intende dare un contributo al progetto europeo SHERPA (Smart collaboration between Humans and ground-aErial Robots for imProving rescuing activities in Alpine environments), coordinato dall’università di Bologna e con la compartecipazione delle università di Brema, Zurigo, Twente, Leuven, Linkopings, del CREATE (Consorzio di Ricerca per l’Energia e le Applicazioni Tecnologiche dell’Elettromagnetismo), di alcune piccole e medie imprese e del club alpino italiano, che consiste nel realizzare un team di robots eterogenei in grado di collaborare con l’uomo per soccorrere i dispersi nell’ambiente alpino. L’obiettivo di SHERPA consiste nel progettare e integrare l’autopilota all’interno del team. In tale contesto andranno gestiti problemi di grande complessità, come il controllo della stabilità del velivolo a fronte di incertezze dovute alla presenza di vento, l’individuazione di ostacoli presenti nella traiettoria di volo, la gestione del volo in prossimità di ostacoli, ecc. Inoltre tutte queste operazioni devono essere svolte in tempo reale. La tesi è stata svolta presso il CASY (Center for Research on Complex Automated Systems) dell’università di Bologna, utilizzando per le prove sperimentali una PX4FLOW Smart Camera. Inizialmente è stato studiato un autopilota, il PIXHAWK, sul quale è possibile interfacciare la PX4FLOW, in seguito sono stati studiati e simulati in MATLAB alcuni algoritmi di visione basati su flusso ottico. Infine è stata studiata la PX4FLOW Smart Camera, con la quale sono state svolte le prove sperimentali. La PX4FLOW viene utilizzata come interfaccia alla PIXHAWK, in modo da eseguire il controllo del velivolo con la massima efficienza. E’ composta da una telecamera per la ripresa della scena, un giroscopio per la misura della velocità angolare, e da un sonar per le misure di distanza. E’ in grado di fornire la velocità di traslazione del velivolo, e quest’ultima, integrata, consente di ricostruire la traiettoria percorsa dal velivolo.

Regolazione della pompa elettrica del carburante a bassa pressione: Analisi dell'impatto sul consumo specifico di un motore a combustione interna

The trend of CO2 emission limit and fuel saving due to the oil price increase and are important drivers for engines development. The engine auxiliary devices electrification (g.e fuel pump) is a way to reduce the energy consumption, because it becomes possible to control them depending on engine operation point, this kid of management can be applied to the electric low-pressure pump. Usually the fuel delivery is performed at the maximum flow rate and a pressure regulator discharges the exceeding fuel amount inside the rail (gasoline engine) or upstream of the high pressure pump (common rail diesel engine). In this work it has been investigated the fuel saving achievable through a proper control of the electric fuel pump on a small common rail diesel engine, and a control architecture is proposed. The aim was to maximize the fuel economy without any impact on pressure control in the engine transient conditions. L'andamento del limite di emissioni di CO2 e il risparmio di carburante dovuto all'aumento del prezzo del petrolio sono fattori importanti per lo sviluppo dei motori. I dispositivi ausiliari, come la pompa del carburante, sono un modo per ridurre il consumo energetico, in quanto diventa possibile controllarli a seconda del punto di funzionamento del motore, questo tipo di gestione può essere applicato alla pompa elettrica a bassa pressione. Solitamente la portata del combustibile viene eseguita alla portata massima e un regolatore di pressione si scarica la quantità eccedente di carburante all'interno del rail (motore a benzina) o a monte della pompa a alta pressione (common rail motore diesel). In questo lavoro è stato studiato il risparmio di combustibile ottenibile attraverso un adeguato controllo della pompa elettrica del carburante su un piccolo motore diesel common rail e viene proposta una architettura di controllo. Lo scopo è quello di massimizzare il risparmio di carburante, senza alcun impatto sul controllo della pressione nelle condizioni transitorie del motore.

Vivere il moderno al tempo della rovina. Progetto per il riuso collettivo di villa muggia a Imola.

Interessante esempio di contaminazione tra il nuovo e l’antico, Villa Muggia costituisce una testimonianza emblematica di come l’architettura razionalista si sia accostata al tema dell’intervento sull’esistente per opera di Piero Bottoni tra il 1936 ed il 1938. La villa si inserisce in una vicenda costruttiva plurisecolare e durante la Seconda Guerra Mondiale è oggetto di un’incursione aerea. Un ordigno raggiunge l’edificio ed esplode al centro del salone devastando irrimediabilmente il nucleo antico. L’abbandono degli anni successivi è il motore del decadimento del podere Belpoggio, che negli Anni Settanta viene frazionato e venduti a più privati. Con questa operazione viene persa quella unità architettonica e paesaggistica, che era stata alla base del progetto di Piero Bottoni. Oggi, a chi si appresta a visitare villa Muggia, si presenta uno scenario unico, é infatti assolutamente atipica la relazione instauratasi tra il rudere dell’edificio settecentesco e l’addizione moderna. La presente tesi propone un progetto di restauro che risponda alle esigenze più impellenti date dal preoccupante stato di conservazione dell’edificio ma con una sensibilità spiccata al tema della rovina e della sua percezione. Ogni scelta tecnica è stata preceduta da una riflessione attenta sulla restituzione dell’immagine e della storia dell’edificio, dalla riorganizzazione del parco ai dettagli architettonici. Lo scopo è rendere nuovamente vissuto dalla città questo prezioso luogo, inserendolo in un sistema già consolidato di luoghi di cultura e tempo libero. Potendo usufruirne, la cittadinanza acquisirebbe consapevolezza della levatura di questa singolare traccia del moderno, innescando un processo di appropriazione del luogo, presupposto imprescindibile alla conservazione del bene.

Prototipazione di un banco prova per la caratterizzazione di motori elettrici

Realizzazione di un banco prova per la valutazione di velocità di rotazione e trazione di un sistema binario composto da motore elettrico e elica.

Definizione di una metodica per il controllo in continuo delle proprietà meccaniche su prodotti di acciaio laminati e zincati mediante sensore di rilevamento della magnetizzazione residua e sviluppo del ciclo produttivo di un materiale bifasico

Questo elaborato presenta un metodo per lo sviluppo di correlazioni lineari con lo scopo di determinare le proprietà meccaniche di un acciaio laminato e zincato utilizzando un sensore che percepisce la magnetizzazione residua del materiale. Vengono utilizzati metodi statistici di analisi della varianza per lo studio delle funzioni di regressione lineari. Lo studio effettuato è stato sviluppato per la lavorazione di zincatura di coils presso Marcegaglia spa, stabilimento di Ravenna. È risultato evidente che la sola misurazione della magnetizzazione residua non fosse sufficiente per la determinazione delle proprietà meccaniche, a tale proposito sono stati sviluppati dei modelli di calcolo con funzioni multivariabili e, attraverso risolutori che minimizzano la differenza quadratica dell'errore, si sono determinati i coefficienti di regressione. Una delle principali problematiche riscontrate per la definizione delle correlazioni è stato il reperimento dei dati necessari per considerare affidabili i risultati ottenuti. Si sono infatti analizzate solamente le famiglie di materiale più numerose. Sono stati sviluppati tre modelli di calcolo differenti per parametri di processo di produzione utilizzati per la definizione delle correlazioni. Sono stati confrontati gli errori percentuali medi commessi dalle funzioni, gli indici di regressione che indicano la qualità della correlazione e i valori di significatività di ogni singolo coefficiente di regressione delle variabili. Si è dimostrato che la magnetizzazione residua influisce notevolmente, così come i parametri dei processo di ricottura del materiale, come le temperature in forno, lo spessore e le velocità. Questo modello di calcolo è stato utilizzato direttamente in linea per lo sviluppo di un ciclo ottimale per la produzione di un nuovo materiale bifasico. Utilizzando il modello per la predizione delle proprietà meccaniche si è concluso che per limiti impiantistici la chimica del materiale utilizzata non fosse idonea. Si è perciò utilizzato un acciaio con percentuali di carbonio, manganese e cromo differenti. In conclusione del progetto si sono formulate delle possibili alternative di funzioni di regressione che utilizzano il valore della durezza piuttosto che il valore di magnetizzazione residua. Si è appurato che l'utilizzo di un durometro, anziché il sensore studiato, potrebbe risultare una valida alternativa al sensore studiato.

Applicazione della logica fuzzy al docking tra dirigibili

Progetto e analisi delle performance di un controllore realizzato con la metodologia fuzzy per una manovra di docking fra due dirigibili. Propedeutica a questo, è stata la campagna, presso la galleria del vento messa a disposizione dalla Clarkson University, di raccolta di dati sperimentali, che sono stati poi utilizzati per realizzare un simulatore con cui testare il controllore. Nel primo capitolo, si è presentato la tecnologia dei dirigibili, le varie tipologie ed una descrizione dei moderni concepts. Successivamente, sono state presentate le applicazioni nelle quali i moderni dirigibili possono essere impiegati. L’ultima parte tratta di due esempi di docking fra mezzi aerei: il rifornimento in volo e i “parasite aircrafts”. Il secondo capitolo, tratta della logica utilizzata dal controllore: la logica fuzzy. Le basi della teoria insiemistica classica sono state il punto di partenza per mostrare come, introducendo le funzioni di appartenenza, sia possibile commutare tra la teoria classica e fuzzy. La seconda parte del capitolo affronta le nozioni della teoria fuzzy, esponendo la metodologia con la quale è possibile inserire un controllore di questo tipo in un sistema “tradizionale”. Il terzo capitolo presenta il modello di volo dei dirigibili. Partendo dalla legge di Newton, introdotto il concetto di inerzia e massa aggiunte, si arriva alle equazioni del moto non lineari. L’ultima parte è stata dedicata alla linearizzazione delle equazioni e alla condizione di trim. Il quarto capitolo riguarda la campagna sperimentale di test in galleria del vento, con la realizzazione dei modelli in scala e la calibrazione della bilancia; successivamente, nel capitolo si commentano i dati sperimentali raccolti. Il quinto capitolo, mostra la metodologia con cui è possibile progettare un controllore fuzzy per il controllo della manovra di docking fra dirigibili. La seconda parte mostra le performance ottenute con questo tipo di sistema.

Modellizzazione dinamica di un motore brushless DC per uso propulsivo su droni

Studio e realizzazione di un modello dinamico, in Simulink, del sistema propulsivo di un aeromodello, dotato di un autopilota e di un'elettronica di bordo. Tali caratteristiche consentono al drone di effettuare delle operazioni di volo in piena autonomia.

Teoria del consenso e applicazione al problema del coordinamento del moto di robot.

Il sempre crescente numero di applicazioni di reti di sensori, robot cooperanti e formazioni di veicoli, ha fatto sì che le problematiche legate al coordinamento di sistemi multi-agente (MAS) diventassero tra le più studiate nell’ambito della teoria dei controlli. Esistono numerosi approcci per affrontare il problema, spesso profondamente diversi tra loro. La strategia studiata in questa tesi è basata sulla Teoria del Consenso, che ha una natura distribuita e completamente leader-less; inoltre il contenuto informativo scambiato tra gli agenti è ridotto al minimo. I primi 3 capitoli introducono ed analizzano le leggi di interazione (Protocolli di Consenso) che permettono di coordinare un Network di sistemi dinamici. Nel capitolo 4 si pensa all'applicazione della teoria al problema del "loitering" circolare di più robot volanti attorno ad un obiettivo in movimento. Si sviluppa a tale scopo una simulazione in ambiente Matlab/Simulink, che genera le traiettorie di riferimento di raggio e centro impostabili, a partire da qualunque posizione iniziale degli agenti. Tale simulazione è stata utilizzata presso il “Center for Research on Complex Automated Systems” (CASY-DEI Università di Bologna) per implementare il loitering di una rete di quadrirotori "CrazyFlie". I risultati ed il setup di laboratorio sono riportati nel capitolo 5. Sviluppi futuri si concentreranno su algoritmi locali che permettano agli agenti di evitare collisioni durante i transitori: il controllo di collision-avoidance dovrà essere completamente indipendente da quello di consenso, per non snaturare il protocollo di Consenso stesso.

Modello 0-dimensionale di motore a combustione interna e veicolo per applicazioni real-time

La presenta tesi ha come obiettivo la modellazione, tramite il software Matlab Simulink, di un motore a combustione interna ad accensione comandata nelle sue parti fondamentali ed il relativo veicolo. Le parti modellate inerenti al gruppo termico sono quelle di produzione coppia, il sistema di aspirazione con un modello statico e uno dinamico ed, infine, il sistema di scarico. Per quanto riguarda la parte veicolo si implementa la dinamica della driveline e quella longitudinale del mezzo stesso. Il simulatore deve essere costituito da un layout modulare e ha come ipotesi fondamentale quella di poter lavorare in real-time, quindi si utilizza un modello zero-dimensionale e con valori costanti all'interno di un singolo ciclo motore. In conclusione, viene mostrato come implementare il modello in un sistema SIL per poterne testare il funzionamento in tempo reale e visualizzare i risultati da esso prodotti.

Controllo sensorless di attuatori tubolari pentafase

L'elaborato si pone l'obiettivo di sviluppare un controllo sensorless di posizione per un attuatore tubolare pentafase anisotropo a magneti permanenti. Le peculiarità degli attuatori tubolari sono molteplici: assenza di organi di trasmissione del moto; compattezza; elevate densità di forza e prestazioni nella dinamica, con una più ampia banda passante per il sistema di controllo; maggiore precisione, risoluzione, ripetibilità ed affidabilità. Tale tipologia di macchina è pertanto molto interessante in diverse applicazioni quali robotica, automazione, packaging, sistemi di posizionamento ecc., ed è altresì promettente nei settori aerospaziale e automotive. L'azionamento in studio è inoltre di tipo multifase. In tal caso si ottengono diversi vantaggi: possibilità di suddividere la potenza su un numero elevato di rami del convertitore; capacità di lavorare in condizioni di guasto; incremento della densità di coppia della macchina; possibilità di controllare in modo indipendente e con un solo inverter più macchine collegate in serie. Prestazioni migliori della macchina si possono ottenere con un opportuno sistema di controllo. Nel caso di azionamenti a magneti permanenti risulta particolarmente attraente il controllo di tipo sensorless della posizione rotorica, in alternativa ad un encoder o un resolver. Questo aumenta l'affidabilità, riduce i costi e diminuisce l'ingombro complessivo dell'azionamento. Appare molto interessante l'utilizzo di un azionamento tubolare di tipo multifase, e ancor più lo sviluppo di un apposito controllo di posizione di tipo sensorless. L’algoritmo sensorless di stima della posizione dell’attuatore può essere sviluppato partendo dall’anisotropia di macchina, sfruttando la possibilità peculiare delle macchine multifase di estrarre informazioni sullo stato attraverso i molteplici gradi di libertà presenti. Nel caso in questione si tratta del controllo della terza armonica spaziale del campo magnetico al traferro. Fondamentale è la definizione di un modello matematico in grado di rappresentare in modo opportuno l’anisotropia di macchina. In letteratura non sono ancora presenti modelli adatti a descrivere il dispositivo in questione; pertanto una parte essenziale della tesi è stata dedicata a definire tale modello e a verificarne la validità. Partendo dal modello è possibile dunque sviluppare un appropriato algoritmo di controllo sensorless e rappresentare in simulink l'intero azionamento. Nella parte conclusiva del lavoro di tesi vengono presentate le prove sperimentali, finalizzate alla determinazione dei parametri di macchina e alla verifica del funzionamento del sistema di controllo. Infine sono confrontati i risultati ottenuti rispetto a quelli realizzati con controlli di tipo tradizionale.