Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnon-valvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin

Lyhyen kantaman radiolähettimien käyttö on kasvanut muutaman viime vuoden aikana huomattavasti. Osaltaan tähän on vaikuttanut uusien taajuusalueiden allokointi lupavapaiden radiolähettimien käyttöön, standardoitujen tekniikoiden yleistyminen ja laitteiden parempi saatavuus. Tässä työssä tarkastellaan lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuutta sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin. Työssä luodaan katsaus teollisuusympäristön vaikutuksiin langattomassa tiedonsiirrossa ja tarkastellaan sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan vaatimuksia tiedonsiirrolle ja tiedonsiirtojärjestelmälle. Työssä käydään läpi lyhyen kantaman radiolähettimiin liittyvät säädökset ja luodaan katsaus standardoituihin sekä valmistajakohtaisiin lyhyen kantaman radiotekniikoihin. Tiedonsiirtojärjestelmän suunnittelun kannalta tarkastellaan tiedonsiirtojärjestelmän topologiaa, protokollaa ja saatavilla olevia tekniikoita ja niiden implementoimista järjestelmään. Valmistajakohtaisia lyhyen kantaman radiomoduulien toimintaa ja Bluetoothin sisältävää älypuhelinta tutkitaan laboratoriomittauksin. Lopuksi kootaan yhteen langattoman tiedonsiirron ja eri tekniikoiden soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan sovelluksiin.

Levyteollisuuden energia-, kustannus- ja ympäristövaikutukset

Kuluvien vuosien aikana ei ole tehty kattavia tutkimuksia levyteollisuuden sähkönkulutuksista, joten on aika selvittää suurimpien sähkökäyttöjen kulutukset sekä muodostaa tutkittaville tehtaille energiataseet. Tutkittavia tehtaita ovat OSB- ja lastulevytehtaat. Yksittäisten sähkömoottoreiden kulutukset saadaan selville käyttämällä hyväksi teoreettisia lähteitä, kenttä-ja laboratoriotutkimusta. Ympäristölainsäädäntö ja siihen kiinteästi liittyvä lupakäytäntö muodostavat levyteollisuudelle yhden viimeaikojen suurimmista haasteista. Tulevaisuudessa lainsäädäntö tulee vielä entisestäänkin kiristymään. Euroopan ympäristölainsäädäntö perustuu pitkälti yhtenäislupadirektiiviin eli IPPC-direktiiviin. Direktiivin keskeinen osa on ympäristöluvan hankkiminen, koska teollista toimintaa ei voi harjoittaa ilman hyväksyttyä viranomaisen lupaa. Lupa myös velvoittaa toiminnanharjoittajan käyttämään parasta käyttökelpoista tekniikkaa päästöjen kontrolloinnissa. Yhdysvalloissa parhaan käyttökelpoisen tekniikan (BAT) vaatimus on sisälletty ympäristövirasto EPA:n MACT-standardeihin. Levyteollisuuden tehtaista syntyvät päästöt ovat hyvin samankaltaisia. Tehtaista on helposti erotettavissa kaksi suurta päästölähdettä, joita ovat kuivaus ja kuumapuristus. Merkittävimpiä päästöjä ovat haihtuvat orgaaniset yhdisteet, hiukkaset, typen oksidit, hiilimonoksidi ja rikkidioksidit. Työn loppuosa on varattu tuotantojen kustannusvaikutusten ja tunnuslukujen tarkasteluille. Saatavilla tiedoilla on keskeinen rooli tehtaiden jokapäiväisessä toiminnassa. Analysoinnin tarpeeseen vaikuttaa osaltaan nykyisen toimintaympäristön muutosherkkyys ja levymarkkinoiden kireä kilpailutilanne.

Does ear C sink strength contributes to the overcoming of photosynthetic acclimation of wheat plants exposed to elevated CO2?

Wheat plants (Triticum durum Desf., cv. Regallo) were grown in the field to study the effects of contrasting [CO2] conditions (700 versus 370 μmol mol−1) on growth, photosynthetic performance, and C management during the post-anthesis period. The aim was to test whether a restricted capacity of sink organs to utilize photosynthates drives a loss of photosynthetic capacity in elevated CO2. The ambient 13C/12C isotopic composition (δ13C) of air CO2 was changed from-10.2 in ambient [CO2] to-23.6 under elevated [CO2] between the 7th and the 14th days after anthesis in order to study C assimilation and partitioning between leaves and ears. Elevated [CO2] had no significant effect on biomass production and grain filling, and caused an accumulation of C compounds in leaves. This was accompanied by up-regulation of phosphoglycerate mutase and ATP synthase protein content, together with down-regulation of adenosine diphosphate glucose pyrophosphatase protein. Growth in elevated [CO2] negatively affected Rubisco and Rubisco activase protein content and induced photosynthetic down-regulation. CO2 enrichment caused a specific decrease in Rubisco content, together with decreases in the amino acid and total N content of leaves. The C labelling revealed that in flag leaves, part of the C fixed during grain filling was stored as starch and structural C compounds whereas the rest of the labelled C (mainly in the form of soluble sugars) was completely respired 48 h after the end of labelling. Although labelled C was not detected in the δ13C of ear total organic matter and respired CO2, soluble sugar δ13C revealed that a small amount of labelled C reached the ear. The 12CO2 labelling suggests that during the beginning of post-anthesis the ear did not contribute towards overcoming flag leaf carbohydrate accumulation, and this had a consequent effect on protein expression and photosynthetic acclimation.

Kestomagneettitahtikonekäytön soveltaminen paperiteollisuuden linjakäytöissä

Tässä työssä tutkitaan kestomagneettitahtimoottorin soveltuvuutta paperiteollisuuden linjakäyttöihin. Aluksi perehdytään taajuusohjatun kestomagneettitahtimoottorin häviöiden syntymiseen ja niiden jakautumiseen. Työssä esitellään kestomagneettitahtimoottorin koon valintaan vaikuttavia tekijöitä ja vertaillaan oikosulkumoottorin ja kestomagneettitahtimoottorin mitoituksen eroja. Lisäksi tarkasteltiin linjakäytön vaihtosuuntaajan ja syöttöryhmän mitoitusta, kun kestomagneettitahtimoottoria käytetään paperiteollisuuden linjakäytössä. Kestomagneettitahtimoottorin virran riippuvuutta kuormituksesta laskettiin ja mitattiin yhden kestomagneettitahtimoottorin virta eri kuormituksilla. Näin voitiin suorittaa vertailu laskennan ja todellisuuden välillä. Mittaus osoitti laskentatavan tarkkuuden. Selvityksessä löydettiin riittävän tarkka laskentatapa, jonka avulla voidaan määrittää linjakäytön invertterin koko.

Moottoripolttoaineiden ominaisuuksien mallintaminen

Työn tavoitteena on selvittää voidaanko neuroverkkoa käyttää mallintamaan ja ennustamaan polttoaineen vaikutusta nykyaikaisen auton päästöihin. Näin pystyttäisiin vähentämään aikaa vievien ja kalliiden koeajojen tarvetta. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Fortum Oy:n yhteistyöprojektissa. Työssä tehtiin kolme erilaista mallia. Ensimmäisenä tehtiin autokohtainen malli, jolla pyrittiin ennustamaan autokohtaista käyttäytymistä. Toiseksi kokeiltiin mallia, jossa automalli oli yhtenä syötteenä. Kolmantena yritettiin kiertää eräitä aineiston ongelmia käyttämällä "sumeutettuja" polttoaineiden koostumuksia. Työssä käytettiin MLP-neuroverkkoa, joka opetettiin backpropagation algoritmilla. Työssä havaittiin ettei käytettävissä olleella aineistolla ja käytetyillä malleilla pystytä riittävällä tarkkuudella mallintamaan polttoaineen vaikutusta päästöihin. Aineiston ongelmia olivat mm. suuret mittausvarianssit, aineiston pieni määrä sekä aineiston soveltumattomuus neuroverkolla mallintamiseen.

Demand-based structural change and balanced economic growth

[eng] We analyze the equilibrium of a multi-sector exogenous growth model where the introduction of minimum consumption requirements drives structural change. We show that equilibrium dynamics simultaneously exhibt structural change and balanced growth of aggregate variables as is observed in US when the initial intensity of minimum consumption requirements is sufficiently small. This intensity is measured by the ratio between the aggregate value of the minimum consumption requirements and GDP and, therefore, it is inversely related with the level of economic development. Initially rich economies benefit from an initially low intensity of the minimum consumption requirements and, as a consequence, these economies end up exhibiting balanced growth of aggregate variables, while there is structural change. In contrast, initially poor economies suffer from an initially large intensity of the minimum consumption requirements, which makes the growth of the aggregate variables unbalanced during a very large period. These economies may never exhibit simultaneously balanced growth of aggregate variables and structural change.

Demand-based structural change and balanced economic growth

[eng] We analyze the equilibrium of a multi-sector exogenous growth model where the introduction of minimum consumption requirements drives structural change. We show that equilibrium dynamics simultaneously exhibt structural change and balanced growth of aggregate variables as is observed in US when the initial intensity of minimum consumption requirements is sufficiently small. This intensity is measured by the ratio between the aggregate value of the minimum consumption requirements and GDP and, therefore, it is inversely related with the level of economic development. Initially rich economies benefit from an initially low intensity of the minimum consumption requirements and, as a consequence, these economies end up exhibiting balanced growth of aggregate variables, while there is structural change. In contrast, initially poor economies suffer from an initially large intensity of the minimum consumption requirements, which makes the growth of the aggregate variables unbalanced during a very large period. These economies may never exhibit simultaneously balanced growth of aggregate variables and structural change.

Biodieselin valmistusprosessin suunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli kehittää prosessi, jolla rypsiöljystä voidaan valmistaa dieselöljyn korvaavaa biodieseliä. Työssä tutustuttiin raaka-aineiden sekä sivu- ja lopputuotteiden aine- ja laatuominaisuuksiin, biodieselin käytettävyyteen ja käytössä oleviin valmistusprosesseihin. Työn aikana kehitettiin uusi tekniikka biodieselin tuottamiseen. Diplomityön tuloksena syntyi pilot-laitteen suunnitelma, jonka mukaan laite rakennettiin. Pilot-laitteen koeajot varmistivat tekniikan toimivuuden ja lopputuote täyttää biodieselille asetetut vaatimukset. Menetelmä tarvitsee vielä jatkokehittelyä tuotantokustannuksien alentamiseksi.

Syöttöjännitteen jännitehäiriöt paperikoneen sähkökäytössä

Diplomityön tavoitteena oli selvittää paperikonelinjakäyttöjen toimintaa syöttöjännitteen alenemien ja –jännitekatkojen aikana. Työssä haluttiin selvittää, millaisista häiriöistä laitteistot selviävät pysähtymättä ja kuinka laitteistojen immuniteettia häiriöille voitaisiin parantaa. Standardien esittämien jännitehäiriöiden siedon vaatimuksien lisäksi haluttiin selvittää olosuhteet, joissa asiakkaiden sähkökäytöt tulisi toimia. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi selvitettiin laboratoriomittauksin tyristori- ja ISU –syöttöyksiköillä varustettujen linjakäyttöjen testilaitteistojen ominaisuuksia jännitteen alenemien aikana. Lisäksi selvitettiin paperikoneen muiden laitteistojen toimintaa jännitehäiriöiden aikana. Avain sähkökäyttöjen jännitehäiriöiden siedon parantamiseksi löytyy ulkoisista energiavarastoista ja paperikoneen linjakäyttöjen hallitusta ohjaamisesta häiriöiden aikana. Näiden hyödyntäminen edellyttää kuitenkin työssä selvitetyn paperiprosessin ohjauksen tuntemista ratakatkon aikana.

Sähkökäyttöjen kaapelivärähtelyt

Taajuudenmuuttajan kytkennän synnyttämä nopea jännitemuutos aiheuttaa pitkään moottorikaapeliin sähköisen värähtelyilmiön. Ilmiö on tullut erityisesti esille uusien nopeasti kytkevien puolijohdetehokytkimien ilmestyttyä markkinoille. Taajuudenmuuttajan lähtöön asennettu jännitteen nousunopeutta rajoittava suodin vähentää kaapelivärähtelyä, mutta riittävän pitkässä kaapelissa värähtely on voimakasta lähtösuotimesta huolimatta. Kaapelivärähtelyilmiön seurauksena moottorikaapelin taajuudenmuuttajan puoleiseen päähän syntyy voimakas virtavärähtely ja moottorin puoleiseen päähän voimakas jännitevärähtely. Sähkökäyttöjen vektorisäätöalgoritmit tekevät ohjauspäätöksiä moottorikaapelin taajuudenmuuttajan päästä tehtyjen virtamittausten perusteella. Säädön päätösväli on niin lyhyt, että kaapelin virtavärähtely ehtii häiritä säädön toimintaa. Tässä työssä on esitetty kaapelivärähtelyä kuvaava taajuudenmuuttajan lähtösuotimen huomioon ottava siirtofunktioperustainen matemaattinen malli. Mallin avulla kaapelivärähtelyilmiötä voi analysoida lineaarisen säätöteorian menetelmillä. Virtavärähtelyn moottorisäätöön tuomiin ongelmiin ratkaisuksi on esitetty virran mittasignaalin käsittelemistä analogisella ja digitaalisella suotimella. Simulointitulosten perusteella ratkaisua voidaan pitää toimivana. Lopuksi esitetään, kuinka avaruusvektoriteorian mukaista induktiomoottorimallia ja kaapelivärähtelymallia voidaan simuloida yhdessä.

Metabolic gene expression changes in astrocytes in Multiple Sclerosis cerebral cortex are indicative of immune-mediated signaling.

Emerging as an important correlate of neurological dysfunction in Multiple Sclerosis (MS), extended focal and diffuse gray matter abnormalities have been found and linked to clinical manifestations such as seizures, fatigue and cognitive dysfunction. To investigate possible underlying mechanisms we analyzed the molecular alterations in histopathological normal appearing cortical gray matter (NAGM) in MS. By performing a differential gene expression analysis of NAGM of control and MS cases we identified reduced transcription of astrocyte specific genes involved in the astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS) and the glutamate-glutamine cycle (GGC). Additional quantitative immunohistochemical analysis demonstrating a CX43 loss in MS NAGM confirmed a crucial involvement of astrocytes and emphasizes their importance in MS pathogenesis. Concurrently, a Toll-like/IL-1β signaling expression signature was detected in MS NAGM, indicating that immune-related signaling might be responsible for the downregulation of ANLS and GGC gene expression in MS NAGM. Indeed, challenging astrocytes with immune stimuli such as IL-1β and LPS reduced their ANLS and GGC gene expression in vitro. The detected upregulation of IL1B in MS NAGM suggests inflammasome priming. For this reason, astrocyte cultures were treated with ATP and ATP/LPS as for inflammasome activation. This treatment led to a reduction of ANLS and GGC gene expression in a comparable manner. To investigate potential sources for ANLS and GGC downregulation in MS NAGM, we first performed an adjuvant-driven stimulation of the peripheral immune system in C57Bl/6 mice in vivo. This led to similar gene expression changes in spinal cord demonstrating that peripheral immune signals might be one source for astrocytic gene expression changes in the brain. IL1B upregulation in MS NAGM itself points to a possible endogenous signaling process leading to ANLS and GGC downregulation. This is supported by our findings that, among others, MS NAGM astrocytes express inflammasome components and that astrocytes are capable to release Il-1β in-vitro. Altogether, our data suggests that immune signaling of immune- and/or central nervous system origin drives alterations in astrocytic ANLS and GGC gene regulation in the MS NAGM. Such a mechanism might underlie cortical brain dysfunctions frequently encountered in MS patients.

High Performance Electrical Drive System for a Biomechanical Test and Rehabilitation Equipment

Suunniteltiin ja rakennettiin suoraa vääntömomenttisäätöä soveltava taajuudenmuuttajakäyttö oikosulkumoottorin ohjaukseen korvaamaan passiivinen jarrukäyttö. Laite on kuntoutuslaite, jolla tehdään lihasvoiman mittauksia ja voimaharjoituksia. Selvitettiin kaupallisten moottoreiden ja taajuudenmuuttajien suoritusominaisuuksia ja tämän perusteella valittiin käyttöön sopivat laitteet. Työssä esitetään kaksi oikosulkumoottorin ohjaustapaa: vektorisäätö ja suora vääntömomenttisäätö. Merkittävin osa tästä työstä käsittelee - tarkan turvallisuussuunnitelman lisäksi - kuntoutuslaitteen prototyypin komponentteja, kokoamista ja suoritustestien tuloksia.

Methods of Design and Testing of Real Time Systems

Teollusuussovelluksissa vaaditaan nykyisin yhä useammin reaaliaikaista tiedon käsittelyä. Luotettavuus on yksi tärkeimmistä reaaliaikaiseen tiedonkäsittelyyn kykenevän järjestelmän ominaisuuksista. Sen saavuttamiseksi on sekä laitteisto, että ohjelmisto testattava. Tämän työn päätavoitteena on laitteiston testaaminen ja laitteiston testattavuus, koska luotettava laitteistoalusta on perusta tulevaisuuden reaaliaikajärjestelmille. Diplomityössä esitetään digitaaliseen signaalinkäsittelyyn soveltuvan prosessorikortin suunnittelu. Prosessorikortti on tarkoitettu sähkökoneiden ennakoivaa kunnonvalvontaa varten. Uusimmat DFT (Desing for Testability) menetelmät esitellään ja niitä sovelletaan prosessorikortin sunnittelussa yhdessä vanhempien menetelmien kanssa. Kokemukset ja huomiot menetelmien soveltuvuudesta raportoidaan työn lopussa. Työn tavoitteena on kehittää osakomponentti web -pohjaiseen valvontajärjestelmään, jota on kehitetty Sähkötekniikan osastolla Lappeenrannan teknillisellä korkeakoululla.