Advanced 4DT flight guidance and control software system

The work presented in this thesis has been part of a Cranfield University research project. This thesis aims to design a flight control law for large cargo aircraft by using predictive control, which can assure flight motion along the flight path exactly and on time. In particular this work involves the modelling of a Boeing C-17 Globemaster III 6DOF model (used as study case), by using DATCOM and Matlab Simulink software. Then a predictive control algorithm has been developed. The majority of the work is done in a Matlab/Simulink environment. Finally the predictive control algorithm has been applied on the aircraft model and its performances, in tracking given trajectory optimized through a 4DT Research Software, have been evaluated.

Energy performance comparison of three innovative HVAC systems for renovation through dynamic simulation

In this paper, dynamic simulation was used to compare the energy performance of three innovativeHVAC systems: (A) mechanical ventilation with heat recovery (MVHR) and micro heat pump, (B) exhaustventilation with exhaust air-to-water heat pump and ventilation radiators, and (C) exhaust ventilationwith air-to-water heat pump and ventilation radiators, to a reference system: (D) exhaust ventilation withair-to-water heat pump and panel radiators. System A was modelled in MATLAB Simulink and systems Band C in TRNSYS 17. The reference system was modelled in both tools, for comparison between the two.All systems were tested with a model of a renovated single family house for varying U-values, climates,infiltration and ventilation rates.It was found that A was the best system for lower heating demand, while for higher heating demandsystem B would be preferable. System C was better than the reference system, but not as good as A or B.The difference in energy consumption of the reference system was less than 2 kWh/(m2a) betweenSimulink and TRNSYS. This could be explained by the different ways of handling solar gains, but also bythe fact that the TRNSYS systems supplied slightly more than the ideal heating demand.

Leistungsoptimale zentrale Fahrdynamikregelung

Um den Fahrkomfort eines Automobils weiter zu erhöhen und zugleich dessen fahrdynamischen Grenzbereich kontinuierlich auszubauen, wurden im Laufe der letzten Jahrzehnte und insbesondere innerhalb der letzten Jahre vermehrt aktive Fahrwerkregelsysteme eingeführt. Durch diesen zunehmenden Verbau von Fahrwerksaktoren in heutigen Fahrzeugen nimmt jedoch die Beanspruchung des 12V-Energienetzes nach wie vor stetig zu und beeinträchtigt somit dessen Stabilität. Um das Bordnetz zu stützen, stehen nun einige Optionen zur Verfügung, wie z.B. der Einsatz einer zusätzlichen 48V-Spannungsebene. Da solche Technologien jedoch mit einem entsprechend hohen Mehraufwand einhergehen, ist es das Bestreben der Automobilindustrie, mit der Einführung derartiger Maßnahmen möglichst lange zu warten. Um diesen Zielkonflikt zu lösen, wird im Rahmen dieser Dissertation das Potential eines Zentralreglers für ein aktives Fahrwerk untersucht, welches unter Beachtung der Bordnetzstabilität und der geforderten fahrdynamischen Eigenschaften realisierbar ist. Zu diesem Zweck wird ein Versuchsträger aufgebaut und mit ausgewählten aktiven Fahrwerkskomponenten ausgestattet. Auf Basis dieses Versuchsfahrzeugs wird ein Gesamtfahrzeugmodell in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink bzw. veDYNA generiert, welches in der Lage ist, die elektromechanischen Charakteristiken des aktiven Fahrwerks realitätsnah abzubilden. Da die Simulationsmodelle der Fahrwerkssteller Hinterachslenkung und Sportdifferenzial bislang nicht verfügbar waren, mussten zunächst entsprechende Modelle aufgebaut werden, welche die Auswirkungen der Aktoren sowohl auf die Fahrdynamik als auch auf den Strombedarf in geeigneter Form wiedergeben können. Das zentrale Regelungskonzept für das aktive Fahrwerk, welches im Rahmen dieser Arbeit zum Einsatz kommt, basiert auf einer linear-quadratischen Regelung (LQR) mit Führungsgrößenaufschaltung. Unter Zuhilfenahme der Simulationsumgebung und eines speziell entwickelten Optimierungstools werden unterschiedliche Reglerabstimmungen vorgestellt, bei denen zum einen die Absenkung des elektrischen Leistungsbedarfs und zum anderen die Umsetzung einer optimalen Fahrdynamik im Vordergrund steht. Zwecks Validierung der Berechnungsergebnisse werden anschließend die im Versuchsträger durchgeführten Untersuchungen präsentiert, bei denen diese Reglerabstimmungen gegenübergestellt werden, um das Potential des zentralen Regelungskonzeptes zu bewerten.

Optimization of the power electronics system associated with ocean wave electric generators

The present thesis is focused on wave energy, which is a particular kind of ocean energy, and is based on the activity carried out during the EU project SEA TITAN. The main scope of this work is the design of a power electronic section for an innovative wave energy extraction system based on a switched-reluctance machine. In the first chapter, the general features of marine wave energy harvesting are treated. The concept of Wave Energy Converter (WEC) is introduced as well as the mathematical description of the waves, their characterization and measurement, the WEC classification, the operating principles and the standardization framework. Also, detailed considerations on the environmental impact are presented. The SEA TITAN project is briefly described. The second chapter is dedicated to the technical issues of the SEA TITAN project, such as the operating principle, the performance optimization carried out in the project, the main innovations as well as interesting demonstrations on the behavior of the generator and its control. In the third chapter, the power electronics converters of SEA TITAN are described, and the design choices, procedures and calculations are shown, with a further insight into the application given by analyzing the MATLAB Simulink model of the system and its control scheme. Experimental tests are reported in the fourth chapter, with graphs and illustrations of the power electronic apparatus interfaced with the real machine. Finally, the conclusion in the fifth chapter offers a global overview of the project and opens further development pathways.

Motion Cueing Algorithm Development in a 2DOF Driving Simulator: a Driving Behaviour-Centered Approach

I simulatori di guida sono strumenti altamente tecnologici che permettono di svolgere attività di ricerca in vari ambiti quali la psicologia, la medicina e l’ingegneria. Tuttavia, affinché i dati ottenuti mediante le simulazioni siano rapportabili alla loro controparte reale, la fedeltà delle componenti del simulatore di guida deve essere elevata. Questo lavoro tratta del miglioramento del sistema di restituzione del movimento nel simulatore a due gradi di libertà (2DOF) SIMU-LACET Driving Simulator, costruito e sviluppato presso il laboratorio LEPSIS dell’IFSTTAR (Istituto Francese delle Scienze e Tecnologie dei Trasporti, dello Sviluppo e delle Reti), in particolare nella sua sede di Parigi – Marne-la-Vallée. Si è deciso di andare a riprogettare la parte software del sistema di restituzione del movimento (motion cueing), operando su due elementi principali: lo scale factor (fattore di scala) applicato agli impulsi dinamici provenienti dal modello veicolare e i Motion Cueing Algorihms (MCA, algoritmi di restituzione del movimento), questo per entrambi i gradi di libertà. Si è quindi intervenuti sul modello esistente implementato in MATLAB-Simulink nello specifico blocco del motion cueing sul surge (traslazione longitudinale) e sul yaw (imbardata). Riguardo lo scale factor, è stata introdotta una metodologia per creare uno scale factor non lineare in forma esponenziale, tale da migliorare la restituzione degli impulsi meno ampi, pur rispettando i limiti fisici della piattaforma di movimento. Per quanto concerne il MCA, si sono vagliate diverse transfer function dell’algoritmo classico. La scelta finale dei MCA e la validazione del motion cueig in genere è stata effettuata mediante due esperimenti ed il giudizio dei soggetti che vi hanno partecipato. Inoltre, in virtù dei risultati del primo esperimento, si è investigata l’influenza che la strategia in merito al cambio delle marce avesse sulla percezione del movimento da parte del guidatore.

Effective procedure for the optimization of the linear controller in an industrial drive for a nonlinear mechanism

Il progetto di tesi è incentrato sull’ottimizzazione del procedimento di taratura dei regolatori lineari degli anelli di controllo di posizione e velocità presenti negli azionamenti usati industrialmente su macchine automatiche, specialmente quando il carico è ad inerzia variabile in dipendenza dalla posizione, dunque non lineare, come ad esempio un quadrilatero articolato. Il lavoro è stato svolto in collaborazione con l’azienda G.D S.p.A. ed il meccanismo di prova è realmente utilizzato nelle macchine automatiche per il packaging di sigarette. L’ottimizzazione si basa sulla simulazione in ambiente Matlab/Simulink dell’intero sistema di controllo, cioè comprensivo del modello Simulink degli anelli di controllo del drive, inclusa la dinamica elettrica del motore, e del modello Simscape del meccanismo, perciò una prima necessaria fase del lavoro è stata la validazione di tali modelli affinché fossero sufficientemente fedeli al comportamento reale. Il secondo passo è stato fornire una prima taratura di tentativo che fungesse da punto di partenza per l’algoritmo di ottimizzazione, abbiamo fatto ciò linearizzando il modello meccanico con l’inerzia minima e utilizzando il metodo delle formule di inversione per determinare i parametri di controllo. Già questa taratura, seppur conservativa, ha portato ad un miglioramento delle performance del sistema rispetto alla taratura empirica comunemente fatta in ambito industriale. Infine, abbiamo lanciato l’algoritmo di ottimizzazione definendo opportunamente la funzione di costo, ed il risultato è stato decisamente positivo, portando ad un miglioramento medio del massimo errore di inseguimento di circa il 25%, ma anche oltre il 30% in alcuni casi.

Development of the Simulation Model for the CoSES Laboratory Test Microgrid in Modelica

Evolution of the traditional consumer in a power system to a prosumer has posed many problems in the traditional uni-directional grid. This evolution in the grid model has made it important to study the behaviour of microgrids. This thesis deals with the laboratory microgrid setup at the Munich School of Engineering, built to assist researchers in studying microgrids. The model is built in Dymola which is a tool for the OpenModelica language. Models for the different components were derived, suiting the purpose of this study. The equivalent parameters were derived from data sheets and other simulation programs such as PSCAD. The parameters were entered into the model grid and tested at steady state, firstly. This yielded satisfactory results that were similar to the reference results from MATPOWER power flow. Furthermore, fault conditions at several buses were simulated to observe the behaviour of the grid under these conditions. Recommendations for further developing this model to include more detailed models for components, such as power electronic converters, were made at the end of the thesis.

Optimization and development of low environmental impact propulsion systems

The aim of the Ph.D. research project was to explore Dual Fuel combustion and hybridization. Natural gas-diesel Dual Fuel combustion was experimentally investigated on a 4-Stroke, 2.8 L, turbocharged, light-duty Diesel engine, considering four operating points in the range between low to medium-high loads at 3000 rpm. Then, a numerical analysis was carried out using a customized version of the KIVA-3V code, in order to optimize the diesel injection strategy of the highest investigated load. A second KIVA-3V model was used to analyse the interchangeability between natural gas and biogas on an intermediate operating point. Since natural gas-diesel Dual Fuel combustion suffers from poor combustion efficiency at low loads, the effects of hydrogen enriched natural gas on Dual Fuel combustion were investigated using a validated Ansys Forte model, followed by an optimization of the diesel injection strategy and a sensitivity analysis to the swirl ratio, on the lowest investigated load. Since one of the main issues of Low Temperature Combustion engines is the low power density, 2-Stroke engines, thanks to the double frequency compared to 4-Stroke engines, may be more suitable to operate in Dual Fuel mode. Therefore, the application of gasoline-diesel Dual Fuel combustion to a modern 2-Stroke Diesel engine was analysed, starting from the investigation of gasoline injection and mixture formation. As far as hybridization is concerned, a MATLAB-Simulink model was built to compare a conventional (combustion) and a parallel-hybrid powertrain applied to a Formula SAE race car.

Neural Network Based UAV Fault Tolerant Control with Aerodynamic Disturbance Estimation and Compensation

In this thesis, the problem of controlling a quadrotor UAV is considered. It is done by presenting an original control system, designed as a combination of Neural Networks and Disturbance Observer, using a composite learning approach for a system of the second order, which is a novel methodology in literature. After a brief introduction about the quadrotors, the concepts needed to understand the controller are presented, such as the main notions of advanced control, the basic structure and design of a Neural Network, the modeling of a quadrotor and its dynamics. The full simulator, developed on the MATLAB Simulink environment, used throughout the whole thesis, is also shown. For the guidance and control purposes, a Sliding Mode Controller, used as a reference, it is firstly introduced, and its theory and implementation on the simulator are illustrated. Finally the original controller is introduced, through its novel formulation, and implementation on the model. The effectiveness and robustness of the two controllers are then proven by extensive simulations in all different conditions of external disturbance and faults.

Application of the Extended Kalman filter for speed sensorless control of PM synchronous machines

The increasing interest in the decarbonization process led to a rapidly growing trend of electrification strategies in the automotive industry. In particular, OEMs are pushing towards the development and production of efficient electric vehicles. Moreover, research on electric motors and their control are exploding in popularity. The increase of computational power in embedded control hardware is allowing the development of new control algorithm, such as sensorless control strategy. Such control strategy allows the reduction of the number of sensors, which implies reduced costs and increased system reliability. The thesis objective is to realize a sensorless control for high-performance automotive motors. Several algorithms for rotor angle observers are implemented in the MATLAB and Simulink environment, with emphasis on the Kalman observer. One of the Kalman algorithms already available in the literature has been selected, implemented and benchmarked, with emphasis on its comparison with the Sliding Mode observer. Different models characterized by increasing levels of complexity are simulated. A simplified synchronous motor with ”constant parameters”, controlled by an ideal inverter is first analyzed; followed by a complete model defined by real motor maps, and controlled by a switching inverter. Finally, it was possible to test the developed algorithm on a real electric motor mounted on a test bench. A wide range of different electric motors have been simulated, which led to an exhaustive review of the sensorless control algorithm. The final results underline the capability of the Kalman observer to effectively control the motor on a real test bench.

Raffinamento della posizione ottenuta da un GPS tramite misure di fase

Questa tesi elabora un sistema di filtraggio delle pseudodistanze calcolate da un ricevitore GPS, al fine di ottenere un miglior posizionamento. Infatti, dopo aver analizzato e quindi filtrato i dati in ingresso tramite l’impiego delle misure di fase, si può ottenere una precisione nell’ordine dei centimetri. La tecnica di filtraggio prende il nome di carrier-smoothing e permette di selezionare le misure di pseudorange mediante le misure di ADR (Accumulated Delta Range) grazie all’applicazione di una struttura a filtro complementare. Per svolgere questo tipo di lavoro, non è stato necessario l’utilizzo di un ricevitore GPS fisico, ma è stato realizzato, nell’ambiente Matlab/Simulink, un simulatore GNSS (Global Navigation Satellite System) che sostanzialmente emula quello che farebbe un ricevitore.

Caratterizzazione e simulazione di un generatore eolico di piccole dimensioni

Durante gli ultimi anni sta avendo sempre più rilevanza il problema del cambiamento climatico, dovuto principalmente all’emissione in atmosfera di gas serra. Una delle soluzioni da adottare è una transizione energetica verso fonti di energia rinnovabili e una progressiva elettrificazione di tutte le tecnologie che utilizzano ancora combustibili fossili. L’obiettivo di questa tesi di Laurea è analizzare e implementare un semplice modello in MATLAB/Simulink di una turbina eolica, conoscendo solo i dati di targa del generatore, la curva di potenza della turbina e avendo a disposizione dei dati reali di velocità del vento, potenza prodotta e velocità di rotore. Il progetto quindi consiste in un lavoro di reverse engineering in cui, partendo dai componenti reali, si cerca di ricavare, in maniera empirica e sperimentale, i parametri che ne caratterizzano il modello matematico. Successivamente è stato implementato un modello su Simulink, partendo da un modello già esistente, in cui si è simulato il comportamento della macchina, ottenendo una stima della potenza prodotta.

Simulation and Implementation of a PMSM Sensorless Control Algorithm for Submarine Applications

In this thesis, the study and the simulation of two advanced sensorless speed control techniques for a surface PMSM are presented. The aim is to implement a sensorless control algorithm for a submarine auxiliary propulsion system. This experimental activity is the result of a project collaboration with L3Harris Calzoni, a leader company in A&D systems for naval handling in military field. A Simulink model of the whole electric drive has been developed. Due to the satisfactory results of the simulations, the sensorless control system has been implemented in C code for STM32 environment. Finally, several tests on a real brushless machine have been carried out while the motor was connected to a mechanical load to simulate the real scenario of the final application. All the experimental results have been recorded through a graphical interface software developed at Calzoni.

Simulazioni preliminari per la conversione di un motore turboalbero aeronautico al funzionamento ad idrogeno

Nella presente tesi si è realizzato uno sviluppo di base per l'implementazione di un motore turboalbero aeronautico all’utilizzo ad idrogeno. La parte iniziale dell'elaborato descrive le caratteristiche e i benefici dell’utilizzo di questo combustibile innovativo e riporta, poi, le principali modifiche hardware, presenti in letteratura, necessarie per l’implementazione voluta su un motore fisico. Vengono, poi, illustrati i modelli di combustori necessari per un corretto funzionamento del sistema propulsivo, oltre all’eventuale necessità di uno scambiatore di calore. Nella parte centrale della tesi, invece, é descritta la conversione di un modello MatLab Simulink del motore Allison 250 c18, esplicando e documentando le principali modifiche apportate riguardo alla creazione delle mappe del modello dinamico utile a ricavare le caratteristiche termodinamiche del flusso in camera di combustione e all'uscita da essa. Viene inoltre mostrato il metodo di utilizzo degli script CEA forniti dalla NASA, valido per desumere le proprietà dei gas post combustione, oltre che per la creazione delle funzioni di interpolazioni. Sono state svolte, infine, diverse simulazioni, con lo scopo di ricavare le portate corrette di combustibile ed osservare gli andamenti dei parametri fondamentali del sistema propulsivo, come: le portate elaborate, le potenze generate, le temperature e le pressioni ottenute.

Sviluppo di un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si

Il presente lavoro di tesi ha lo scopo di implementare un modello previsionale del comportamento magnetico di leghe Fe-Si in regime statico e dinamico, mediante l’identificazione e l’ottimizzazione dei parametri caratteristici del modello di Jiles-Atherton. Tale fine è stato perseguito attraverso l’uso del software di calcolo Matlab-Simulink. Il modello, validato mediante i dati reperibili in letteratura, permette di simulare la curva di prima magnetizzazione e il ciclo di isteresi per materiali ferromagnetici soft mediante la conoscenza di un set limitato di dati sperimentali ricavabili dalle prove magnetiche. Il modello è stato impiegato per eseguire la simulazione anche su campioni prodotti industrialmente in acciaio al silicio a grano non orientato forniti allo stato fully-processed M470-50A preventivamente sottoposti a caratterizzazione microstrutturale, mediante microscopia ottica, elettronica e analisi EBSD, e meccanica, attraverso le prove di trazione. I risultati ottenuti dalla simulazione presentano ottimale accuratezza, in particolar modo nel caso statico sia in termini di estrazione dei parametri sia di definizione del ciclo; risulta ancora da migliorare ulteriormente il grafico in frequenza. Al fine di rendere fruibile il modello realizzato è stata progettata una Graphical User Interface. Nell’ottica di una mobilità green in accordo con gli obiettivi globali, l’implementazione del presente modello pone quindi le basi per uno studio futuro del comportamento dei materiali magnetici per la realizzazione di motori elettrici sempre più performanti in funzione dei parametri di produzione e delle condizioni di utilizzo, aspetti che incidono notevolmente sulle proprietà di tale materiale.