Performance Evaluation and Calibration of Machine Vision Measurement

This thesis presents the calibration and comparison of two systems, a machine vision system that uses 3 channel RGB images and a line scanning spectral system. Calibration. is the process of checking and adjusting the accuracy of a measuring instrument by comparing it with standards. For the RGB system self-calibrating methods for finding various parameters of the imaging device were developed. Color calibration was done and the colors produced by the system were compared to the known colors values of the target. Software drivers for the Sony Robot were also developed and a mechanical part to connect a camera to the robot was also designed. For the line scanning spectral system, methods for the calibrating the alignment of the system and the measurement of the dimensions of the line scanned by the system were developed. Color calibration of the spectral system is also presented.

The Detector Control Systems for the CMS Resistive Plate Chamber at LHC

The RPC Detector Control System (RCS) is the main subject of this PhD work. The project, involving the Lappeenranta University of Technology, the Warsaw University and INFN of Naples, is aimed to integrate the different subsystems for the RPC detector and its trigger chain in order to develop a common framework to control and monitoring the different parts. In this project, I have been strongly involved during the last three years on the hardware and software development, construction and commissioning as main responsible and coordinator. The CMS Resistive Plate Chambers (RPC) system consists of 912 double-gap chambers at its start-up in middle of 2008. A continuous control and monitoring of the detector, the trigger and all the ancillary sub-systems (high voltages, low voltages, environmental, gas, and cooling), is required to achieve the operational stability and reliability of a so large and complex detector and trigger system. Role of the RPC Detector Control System is to monitor the detector conditions and performance, control and monitor all subsystems related to RPC and their electronics and store all the information in a dedicated database, called Condition DB. Therefore the RPC DCS system has to assure the safe and correct operation of the sub-detectors during all CMS life time (more than 10 year), detect abnormal and harmful situations and take protective and automatic actions to minimize consequential damages. The analysis of the requirements and project challenges, the architecture design and its development as well as the calibration and commissioning phases represent themain tasks of the work developed for this PhD thesis. Different technologies, middleware and solutions has been studied and adopted in the design and development of the different components and a big challenging consisted in the integration of these different parts each other and in the general CMS control system and data acquisition framework. Therefore, the RCS installation and commissioning phase as well as its performance and the first results, obtained during the last three years CMS cosmic runs, will be

Lasikuituputkien kelauslinjan automatisointi

Lasikuituputkien kelaamiseen tarkoitettu automaatio voidaan toteuttaa suorakulmaisen kolmion trigonometrian perusteella. Kelaaminen tapahtuu pyörittämällä muottia ja liikuttamalla samalla muottia sivuttain. Näin tehdessä saadaan kelattavat lasikuitulangat leviämään koko muotin leveydelle. Jos langat halutaan saada kelattua tiiviisti toistensa viereen, on muotin liikuttava tietty matka yhtä muotin pyörähdystä kohden. Matkaa kutsutaan nousuksi. Nousu riippuu lankojen muodostaman kimpun leveydestä, kelauskulmasta ja muotin säteestä. Kelauskulmalla voidaan vaikuttaa kelattavan tuotteen aksiaaliseen ja pitkittäiseen lujuuteen. Kelauskoneen automaatiojärjestelmä koostuu sähkökäytöistä, ohjaavasta yksiköstä, valvomosta ja erilaisista antureista. Eri osat yhdistetään toisiinsa väylätekniikalla. Sähkökäytöt ovat yleensä servokäyttöjä, koska niiltä vaaditaan tarkkuutta ja nopeutta. Ohjaavana yksikkönä toimii yleensä teollisuus logiikka. Anturointia tarvitaan esimerkiksi hartsin lämpötilan säätöön ja lankojen ratakireyden säätöön. Anturoinnilla ja säädöillä pyritään parantamaan kelattavan tuotteen laatua. Koneen ohjelmallinen toteutus vaatii kelauskoneen mekaniikan ja kelausprosessin ymmärtämistä. Lisäksi on huomioitava koneen käyttäjät ja heidän turvallisuus.

Joustavan särmäyssolun kehittäminen

Tässä diplomityössä esitellään robotisoinnin teoria ja robottisolun oheislaitteet, vaihtoehdot, toiminta ja turvallisuus. Joustavalla tuotantosolulla tarkoitetaan automaattista valmistusjärjestelmää, jossa on useita toisiinsa liitettyjä koneita yhteisellä ohjausjärjestelmällä. Solun komponentteja ovat tuotantolaitteet ja -koneet, ohjausjärjestelmät, valvontalaitteet ja anturit, toimi- ja säätölaitteet sekä ohjelmointijärjestelmä. Joustavaa tuotantosolua voidaan kehittää tehostamalla työntekijöiden koulutusta, ohjelmointia, asetusten tekemistä ja layouttia. Diplomityöhön liittyvä kehitystehtävä koskee heinäveteläisen alihankintakonepajan, Metalliset Oy:n, tuotannon tehostamista robotisoinnin avulla. Metalliset Oy:n joustavan särmäyssolun kehittämiskeinoiksi valittiin nykyisen järjestelmän tehostaminen, uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen ja tulevaisuuden tuotantosolun kehittäminen. Vertailussa parhaimmaksi osoittautui uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen.

Uuden robottisolun ohjelmointitavan mahdollisuudet pienille ja keskisuurille yrityksille

Robotin ohjelmointi on aikaa vievää ja tarvitsee robotin ohjelmoinnin tuntevan operaattorin toimimaan robotin opettajana. Saadakseen robottisolun kustannustehokkaaksi operaattorilla olisi hyvä olla useampi solu hoidettavanaan samaan aikaan. Tämä ei ole suuri ongelma suurille yrityksille, joissa voi olla kymmeniä robottisoluja. Jos kyseessä on pieni tai keskisuuri yritys, automatisointi-investointi voi jäädä tekemättä ohjelmoinnin vaikeuden aiheuttaman ongelman vuoksi. Diplomityössä keskityttiin tutkimaan robotisointia pienten ja keskisuurten yritysten kannalta. Teoriaosassa on keskitytty robottisolun suunnittelun kannalta tarvittaviin perustietoihin robotin rakenteesta, ohjausjärjestelmästä, ohjelmoinnista sekä turvallisuudesta. Näiden perustietojen lisäksi on huomioitu hitsauksen automatisointia sekä taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun tekninen konsepti. Taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun konseptin käsittelyosassa on myös perehdytty taluttamalla ohjelmoinnin vaatimiin komponentteihin kuten voima/vääntö-anturi. Robottisolun suunnittelu on tehtävä koneasetuksen vaatimusten mukaan. Turvallisuus osiossa on käsitelty koneasetuksen vaatimuksia koneensuunnittelulle ja käytännön osassa on käsitelty Winnovan taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun suunnittelua koneasetuksen ohjeiden mukaan. Käytännön osassa on tutkittu taluttamalla ohjelmoinnin tuomia etuja muihin ohjelmointimenetelmiin nähden sekä suoritettu investointilaskelmat taluttamalla ohjelmoitavasta ja opettamalla ohjelmoitavasta robottisolusta. Koetuloksista nähdään taluttamalla ohjelmoinnin olevan nopeampi ja yksinkertaisempi tapa ohjelmoida robottia kuin opettamalla ohjelmointi. Investointilaskelmien vertailusta nähdään taluttamalla ohjelmoinnin tulevan opettamalla ohjelmointia edullisemmaksi vaihtoehdoksi käyttökustannusten edullisuuden ansiosta.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Virtuaalimallin hyödyntäminen harvesteripään tuotekehityksessä

Virtuaalimallinnuksella tarkoitetaan koneen simulointia, jossa huomioidaan koneen mekaniikka, toimilaitteet ja ohjausjärjestelmä. Työn tavoitteena oli luoda virtuaalimalli harvesteripäästä. Kyseinen virtuaalimalli sisälsi harvesteripään tärkeimmät mekaaniset osat, pituusmittalaitteen hydrauliikkapiirin ja tämän ohjauksen. Luodussa virtuaalimallissa huomioitiin myös harvesteripään ja puun väliset kontaktit. Lisäksi työssä tutkittiin mahdollista virtuaalimallinnuksen implementoimista osaksi yrityksen tuotekehitysprosessia. Työssä suoritettiin verifiointimittaukset pituusmittalaitteen hydrauliikkapiirille sekä virtuaalimallin hydrauliikkakomponentit parametrisoitiin. Mittauksista saatuja tuloksia verrattiin virtuaalimallista saatuihin tuloksiin. Työssä esitellään myös ehdotus kuinka virtuaalimallinnusta kannattaisi hyödyntää osana yrityksen tuotekehitysprosessia. Virtuaalimallin eri osa-alueilla saavutetut tulokset osoittavat, että virtuaalimallinuksen hyödyntäminen tuotekehitysprosessin aikana mahdollistaa harvesteripään toimintojen tarkastelun ennen prototyypin rakentamista ja testaamista. Lisäksi hydrauliikkapiirin parametrisoimisella pystytään tutkimaan parametrien vaikutusta kokonaisuuteen.

Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

One chip solution for low-cost active magnetic bearing system

In this work the implementation of the active magnetic bearing control system in a single FPGA is studied. Requirements for the full magnetic bearing control system are reviewed. Different control methods for active magnetic bearings are described shortly. Flux and the current base controllers are implemented in a FPGA. Suitability of the con-trollers for a low-cost magnetic bearing application is studied. Floating-point arithmetic’s are used in the controllers to ease designing burden and improve calculation precision. Per-formance of the flux controller is verified with simulations.

Taajuusmuuttaja aktiivisesti säädetyn magneettilaakerin virtalähteenä

Työssä tutkitaan mahdollisuutta hyödyntää sähkömoottorien nopeudensäätöön suunniteltuja kaupallisia taajuusmuuttajia osana aktiivisesti säädetyn magneettilaakeroinnin säätöjärjestelmää. Magneettilaakerijärjestelmän ohjaamiseksi tarvitaan vahvistin, jonka tehtävänä on muuntaa paikkasäätöjärjestelmältä tuleva ohjearvo virraksi, jännitteeksi tai magneettivuoksi voiman tuottamiseksi laakerikäämityksellä. Nykyaikaiset modernit taajuusmuuttajat mahdollistavat säätöalgoritmien suorittamisen sekä liitynnän muuhun automaatiojärjestelmään kenttäväylien kautta. Tämän järjestelmäintegraation myötä olisi mahdollista rakentaa modulaarinen säätöjärjestelmä hyödyntäen luotettavaksi todettuja teollisuusautomaatiotuotteita vain muutamalla itse magneettilaakerijärjestelmään liittyvällä tuotteella. Haluttaessa hyödyntää kolmivaiheinen taajuusmuuttaja mahdollisimman tehokkaasti magneettilaakerin teholähteenä tulee laakerikäämityksien kytkeytymistä taajuusmuuttajaan tarkastella tarkemmin. Kirjallisuustutkimuksessa keskitytään taajuusmuuttajan tehokytkimien muodostaman vaihtosuuntaajan eri rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön dynaamisten ominaisuuksien tarkasteluun. Soveltuvien rakennevaihtoehtojen sekä virtasäädön suorituskyky todennetaan simuloinnein ja lopuksi todellisella koelaitteistolla. Magneettilaakeroinnilla varustetun sähkökoneen roottorin onnistunut leijuttaminen viiden vapausasteen suhteen paikkasäädettynä sekä mittauksien tulokset osoittavat, ettei taajuusmuuttajien järjestelmäarkkitehtuurista löydy merkittäviä esteitä muuttajien hyödyntämiseksi magneettilaakerisovelluksissa.

On the Efficiency of Alternatives in Process Plans

Process planning is a very important industrial activity, since it determines how a part or a product is manufactured. Process planning decisions include machine selection, tool selection, and cutting conditions determination, and thus it is a complex activity. In the presence of unstable demand, flexibility has become a very important characteristic of today's successful industries, for which Flexible Manufacturing Systems (FMSs) have been proposed as a solution. However, we believe that FMS control software is not flexible enough to adapt to different manufacturing system conditions aiming at increasing the system's efficiency. One means to overcome this limitation is to include pre-planned alternatives in the process plan; then planning decisions are made by the control system in real time to select the most appropriate alternative according to the conditions of the shop floor. Some of the advantages of this approach reported in the literature are the reduction of the number of tool setups, and the selection of a replacement machine for executing an operation. To verify whether the presence of alternatives in process plans actually increases the efficiency of the manufacturing system, an investigation was carried out using simulation and design of experiments techniques for alternative plans on a single machine. The proposed methodology and the results are discussed within this paper.

Control of Structures with Cubic and Quadratic Non-Linearities with Time Delay Consideration

This paper studies the effect of time delay on the active non-linear control of dynamically loaded flexible structures. The behavior of non-linear systems under state feedback control, considering a fixed time delay for the control force, is investigated. A control method based on non-linear optimal control, using a tensorial formulation and state feedback control is used. The state equations and the control forces are expressed in polynomial form and a performance index, quadratic in both state vector and control forces, is used. General polynomial representations of the non-linear control law are obtained and implemented for control algorithms up to the fifth order. This methodology is applied to systems with quadratic and cubic non-linearities. Strongly non-linear systems are tested and the effectiveness of the control system including a delay for the application of control forces is discussed. Numerical results indicate that the adopted control algorithm can be efficient for non-linear systems, chiefly in the presence of strong non-linearities but increasing time delay reduces the efficiency of the control system. Numerical results emphasize the importance of considering time delay in the project of active structural control systems.

Speed Control of an Autonomous Mobile Robot: Comparison between a PID Control and a Control Using Fuzzy Logic

An Autonomous Mobile Robot battery driven, with two traction wheels and a steering wheel is being developed. This Robot central control is regulated by an IPC, which controls every function of security, steering, positioning localization and driving. Each traction wheel is operated by a DC motor with independent control system. This system is made up of a chopper, an encoder and a microcomputer. The IPC transmits the velocity values and acceleration ramp references to the PIC microcontrollers. As each traction wheel control is independent, it's possible to obtain different speed values for each wheel. This process facilities the direction and drive changes. Two different strategies for speed velocity control were implemented; one works with PID, and the other with fuzzy logic. There were no changes in circuits and feedback control, except for the PIC microcontroller software. Comparing the two different speed control strategies the results were equivalent. However, in relation to the development and implementation of these strategies, the difficulties were bigger to implement the PID control.

Simulation of Active Control Using Fuzzy Logic Applied to a Pulse Combustor

This work analyzes an active fuzzy logic control system in a Rijke type pulse combustor. During the system development, a study of the existing types of control for pulse combustion was carried out and a simulation model was implemented to be used with the package Matlab and Simulink. Blocks which were not available in the simulator library were developed. A fuzzy controller was developed and its membership functions and inference rules were established. The obtained simulation showed that fuzzy logic is viable in the control of combustion instabilities. The obtained results indicated that the control system responded to pulses in an efficient and desirable way. It was verified that the system needed approximately 0.2 s to increase the tube internal pressure from 30 to 90 mbar, with an assumed total delay of 2 ms. The effects of delay variation were studied. Convergence was always obtained and general performance was not affected by the delay. The controller sends a pressure signal in phase with the Rijke tube internal pressure signal, through the speakers, when an increase the oscillations pressure amplitude is desired. On the other hand, when a decrease of the tube internal pressure amplitude is desired, the controller sends a signal 180º out of phase.

Adaptive control of Hydraulic Drive

Adaptive control systems are one of the most significant research directions of modern control theory. It is well known that every mechanical appliance’s behavior noticeably depends on environmental changes, functioning-mode parameter changes and changes in technical characteristics of internal functional devices. An adaptive controller involved in control process allows reducing an influence of such changes. In spite of this such type of control methods is applied seldom due to specifics of a controller designing. The work presented in this paper shows the design process of the adaptive controller built by Lyapunov’s function method for the Hydraulic Drive. The calculation needed and the modeling were conducting with MATLAB® software including Simulink® and Symbolic Math Toolbox™ etc. In the work there was applied the Jacobi matrix linearization of the object’s mathematical model and derivation of the suitable reference models based on Newton’s characteristic polynomial. The intelligent adaptive to nonlinearities algorithm for solving Lyapunov’s equation was developed. Developed algorithm works properly but considered plant is not met requirement of functioning with. The results showed confirmation that adaptive systems application significantly increases possibilities in use devices and might be used for correction a system’s behavior dynamics.