STATE OF CHARGE BALANCING DROOP CONTROL

This thesis presents a load sharing method applied in a distributed micro grid system. The goal of this method is to balance the state-of-charge (SoC) of each parallel connected battery and make it possible to detect the average SoC of the system by measuring bus voltage for all connected modules. In this method the reference voltage for each battery converter is adjusted by adding a proportional SoC factor. Under such setting the battery with a higher SoC will output more power, whereas the one with lower SoC gives out less. Therefore the higher SoC battery will use its energy faster than the lower ones, and eventually the SoC and output power of each battery will converge. And because the reference voltage is related to SoC status, the information of the average SoC in this system could be shared for all modules by measuring bus voltage. The SoC balancing speed is related to the SoC droop factors. This SoC-based load sharing control system is analyzed in feasibility and stability. Simulations in MATLAB/Simulink are presented, which indicate that this control scheme could balance the battery SoCs as predicted. The observation of SoC sharing through bus voltage was validated in both software simulation and hardware experiments. It could be of use to non-communicated distributed power system in load shedding and power planning.

REAL TIME FUZZY CONTROLLER FOR QUADROTOR STABILITY CONTROL

In this report, we develop an intelligent adaptive neuro-fuzzy controller by using adaptive neuro fuzzy inference system (ANFIS) techniques. We begin by starting with a standard proportional-derivative (PD) controller and use the PD controller data to train the ANFIS system to develop a fuzzy controller. We then propose and validate a method to implement this control strategy on commercial off-the-shelf (COTS) hardware. An analysis is made into the choice of filters for attitude estimation. These choices are limited by the complexity of the filter and the computing ability and memory constraints of the micro-controller. Simplified Kalman filters are found to be good at estimation of attitude given the above constraints. Using model based design techniques, the models are implemented on an embedded system. This enables the deployment of fuzzy controllers on enthusiast-grade controllers. We evaluate the feasibility of the proposed control strategy in a model-in-the-loop simulation. We then propose a rapid prototyping strategy, allowing us to deploy these control algorithms on a system consisting of a combination of an ARM-based microcontroller and two Arduino-based controllers. We then use a combination of the code generation capabilities within MATLAB/Simulink in combination with multiple open-source projects in order to deploy code to an ARM CortexM4 based controller board. We also evaluate this strategy on an ARM-A8 based board, and a much less powerful Arduino based flight controller. We conclude by proving the feasibility of fuzzy controllers on Commercial-off the shelf (COTS) hardware, we also point out the limitations in the current hardware and make suggestions for hardware that we think would be better suited for memory heavy controllers.

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.

Modellazione del comportamento di un compressore aeronautico in condizioni di funzionamento con fogging

L'obiettivo di questo lavoro di tesi è realizzare un modello, prima statico poi dinamico, dei componenti: imbocco e gruppo compressore, del turboalbero Allison 250 C18 sottoposto alla tecnologia del fogging. I dati sperimentali utilizzati provengono da prove sperimentali svolte da un altro tesista nel laboratorio di Propulsione e macchine della Scuola di Ingegneria e Architettura di Forlì. Grazie al modello statico, realizzato con il software MATLAB®, sono state create le principali mappe prestazionali dei singoli componenti. Queste ultime sono state poi implementate all'interno del modello dinamico realizzato con il software Simulink. Attraverso il modello dinamico, siamo stati in grado di osservare, grazie ad una struttura modulare a blocchi, l'andamento delle grandezze anche in regime transitorio, e di cambiare i parametri di inizializzazione in maniera molto rapida. Infine i dati ottenuti sono stati confrontati con i dati sperimentali e sono state effettuate valutazioni sull'utilità o meno del fogging. Entrambe le conclusioni hanno dato buoni risultati.

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.

Étude de la dynamique du ferrofluide appliquée sur une surface générée par plusieurs actionneurs

Le sujet de cette thèse est la caractérisation dynamique d’une surface générée par plusieurs actionneurs d’un miroir ferrofluidique intégré dans un montage d’optique adaptative. Elle conclut un projet de doctorat au sein du groupe Borra s’étant échelonné sur 4 années. Un bref portrait général de l’optique adaptative est d’abord présenté, suivi d’une section sur la théorie du contrôle. Les types de contrôleurs y sont abordés, soit PID et surcharge. L’effet de la viscosité sur la réponse dynamique du système, ainsi que les analyseurs de front d’onde utilisés sont ensuite expliqués. La section résultats est subdivisée en plusieurs sous-sections ordonnées de façon chronologique. Dans un premier temps, il est question des résultats obtenus dans le cadre d’une caractérisation d’un nouveau miroir de 91 actionneurs fabriqué au sein du groupe. Il est ensuite question des résultats obtenus avec diverses techniques telles le PSD et l’imagerie déclenchée. Il y aura toute une section sur les résultats en vitesse, en fonction de la viscosité du liquide, suivie d’une section sur les simulations réalisées avec Simulink afin de bien cibler les limites du système. Les résultats portant sur la technique de surcharge des actionneurs seront ensuite présentés avec des projections futures. La dernière partie de cette thèse portera sur une innovation apportée par un autre membre du groupe. Nous parlerons de la déposition d’une membrane élastomère réfléchissante et de ses effets sur la dynamique du système.

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.

Progettazione e prototipazione di un dispositivo per ustionati pediatrici in contesti poveri di risorse

Ogni anno, circa il 95% delle morti per ustioni si verifica in contesti poveri di risorse e di queste più di un terzo sono rappresentate da bambini con meno di 4 anni. Per determinare le caratteristiche del dispositivo è stata necessaria una lunga fase preliminare alla progettazione, dove si è analizzata l’entità del problema delle ustioni e i trattamenti attualmente eseguiti. La principale causa di morte per ustioni è dovuta alle infezioni per cui la priorità è creare un ambiente pulito e disinfettato, dove il paziente può essere trattato o trasportato ad un ospedale specializzato. Successivamente a questa fase di analisi dei bisogni, si sono identificate le funzionalità del dispositivo: il controllo della temperatura e dell’umidità per contrastare l’ipotermia e l’ipermetabolismo, la ventilazione d’aria filtrata per prevenire le infezioni e il sistema di lavaggio per disinfettare le lesioni. Il dispositivo è stato progettato per bambini con statura inferiore ad un metro. Da qui si sono derivate le specifiche tecniche di progetto, su cui è stata svolta l’analisi dei rischi e progettato un sistema di mitigazione più o meno efficace per ottenere un rischio residuo accettabile. Terminata la progettazione generale, si è disegnato lo schema circuitale e si sono scelti i componenti elettronici per l’implementazione del prototipo. Il sistema deve esser fornito di sensori di temperatura, umidità, anidride carbonica, ed attuatori per regolare questi parametri, come l’elemento riscaldante, la ventola e la pompa idraulica. Per la realizzazione del prototipo si è utilizzata una schema Wemos e un sistema di comunicazione I2C. Successivamente alla costruzione della struttura e al cablaggio, si è implementato un modello in Simulink per testare i coefficienti del controllore PID per il sistema di termoregolazione. In fine, si sono eseguiti dei test per valutare il controllo della temperatura all’interno dello scompartimento del bambino, e si sono ottenuti buoni risultati.

Real-time PMU monitoring of an IEEE 5-Bus Network implemented on OPAL system

This thesis studies the state-of-the-art of phasor measurement units (PMUs) as well as their metrological requirements stated in the IEEE C37.118.1 and C37.118.2 Standards for guaranteeing correct measurement performances. Communication systems among PMUs and their possible applicability in the field of power quality (PQ) assessment are also investigated. This preliminary study is followed by an analysis of the working principle of real-time (RT) simulators and the importance of hardware-in-the-loop (HIL) implementation, examining the possible case studies specific for PMUs, including compliance tests which are one of the most important parts. The core of the thesis is focused on the implementation of a PMU model in the IEEE 5-bus network in Simulink and in the validation of the results using OPAL RT-4510 as a real-time simulator. An initial check allows one to get an idea about the goodness of the results in Simulink, comparing the PMU data with respect to the load-flow steady-state information. In this part, accuracy indices are also calculated for both voltage and current synchrophasors. The following part consists in the implementation of the same code in OPAL-RT 4510 simulator, after which an initial analysis is carried out in a qualitative way in order to get a sense of the goodness of the outcomes. Finally, the confirmation of the results is based on an examination of the attained voltage and current synchrophasors and accuracy indices coming from Simulink models and from OPAL system, using a Matlab script. This work also proposes suggestions for an upcoming operation of PMUs in a more complex system as the Digital Twin (DT) in order to improve the performances of the already-existing protection devices of the distribution system operator (DSO) for a future enhancement of power systems reliability.

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.

Sviluppo e modellazione di strategie Anti-Dive e Anti-Squat per il controllo delle sospensioni di un motociclo

L'attività di tesi svolta presso l'azienda VRM spa è stata focalizzata sullo studio e sull’implementazione di un sistema di controllo elettronico per le sospensioni di un motociclo. Con questo obiettivo, sono state affrontate le fasi di analisi del sistema sospensioni della moto Benelli 752S, della modellazione multibody del veicolo e della modellazione matematica delle strategie Anti-Dive e Anti-Squat. Tali strategie di controllo sono volte a limitare rispettivamente la velocità di affondamento della forcella, in fase di frenata, e lo squat della moto sulla ruota posteriore, in accelerazione. Le considerazioni teoriche, alla base di questo studio, sono state supportate da una serie di simulazioni effettuate mediante il software Simulink di Matlab, che ha consentito di rappresentare il comportamento dinamico del sistema. A completamento della ricerca sopra citata, sono state condotte attività sperimentali volte a riprodurre le condizioni in cui le strategie di controllo vengono messe in atto e a validare la risposta ottenuta dal modello Simulink nei medesimi scenari operativi. Queste verifiche hanno dimostrato l'adeguatezza delle variabili individuate come input del controllo e la corrispondenza tra il comportamento del veicolo nei test su strada e i risultati ottenuti dal modello.