Effect of the acoustic impedance in ultrasonic emitter transducers using digital modulations

In an underwater environment it is difficult to implement solutions for wireless communications. The existing technologies using electromagnetic waves or lasers are not very efficient due to the large attenuation in the aquatic environment. Ultrasound reveals a lower attenuation, and thus has been used in underwater long-distance communications. The much slower speed of acoustic propagation in water (about 1500 m/s) compared with that of electromagnetic and optical waves, is another limiting factor for efficient communication and networking. For high data-rates and real-time applications it is necessary to use frequencies in the MHz range, allowing communication distances of hundreds of meters with a delay of milliseconds. To achieve this goal, it is necessary to develop ultrasound transducers able to work at high frequencies and wideband, with suitable responses to digital modulations. This work shows how the acoustic impedance influences the performance of an ultrasonic emitter transducer when digital modulations are used and operating at frequencies between 100 kHz and 1 MHz. The study includes a Finite Element Method (FEM) and a MATLAB/Simulink simulation with an experimental validation to evaluate two types of piezoelectric materials: one based on ceramics (high acoustic impedance) with a resonance design and the other based in polymer (low acoustic impedance) designed to optimize the performance when digital modulations are used. The transducers performance for Binary Amplitude Shift Keying (BASK), On-Off Keying (OOK), Binary Phase Shift Keying (BPSK) and Binary Frequency Shift Keying (BFSK) modulations with a 1 MHz carrier at 125 kbps baud rate are compared.

Designing Digital Filters for Servo Systems

The aim of this work was to select an appropriate digital filter for a servo application and to filter the noise from the measurement devices. Low pass filter attenuates the high frequency noise beyond the specified cut-off frequency. Digital lowpass filters in both IIR and FIR responses were designed and experimentally compared to understand their characteristics from the corresponding step responses of the system. Kaiser Windowing and Equiripple methods were selected for FIR response, whereas Butterworth, Chebyshev, InverseChebyshev and Elliptic methods were designed for IIR case. Limitations in digital filter design for a servo system were analysed. Especially the dynamic influences of each designed filter on the control stabilityof the electrical servo drive were observed. The criterion for the selection ofparameters in designing digital filters for servo systems was studied. Control system dynamics was given significant importance and the use of FIR and IIR responses in different situations were compared to justify the selection of suitableresponse in each case. The software used in the filter design was MatLab/Simulink® and dSPACE's DSP application. A speed controlled Permanent Magnet Linear synchronous Motor was used in the experimental work.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

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.

Liikesimulaattorialustan kehittäminen virtuaaliprototyypin avulla

Työn tarkoituksena oli kehittää kuuden vapausasteen liikesimulaattorialusta virtuaaliprototyypin avulla siten, että alustan dynamiikka mallinnetaan Adams-ohjelmistolla ja ohjaus- ja säätöpiiri Matlab Simulink:llä. Tarkoituksena oli tutkia dynaamisen mallin ja säätöteknisen mallin yhdistämistä ja niiden yhteen toimimista. Tarkoituksena oli myös selvittää tulevaisuudessa rakennettavan Stewart:n alustan mekaniikan mitat ja hydraulikomponenttien koot. Työssä tutkittiin alustan käyttäytymistä halutulla liikealueella, nopeuksia joita saavutetaan ja mekaanisia rajoitteita. Työn tuloksesta on tarkoitus rakentaa fyysinen prototyyppi liittyen KONSI-projektiin, jossa kehitetään satamanosturisimulaattori nosturiohjaajan koulutuksen tueksi. Malli tullaan kytkemään Teppo Lehtisen diplomityönä tehtyyn satamanosturi kontin simulointimalliin ja koko järjestelmän on tarkoitus toimia reaaliaikaisena.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

Developing of the Variable Speed Drive -control in simulated parallel pumping systems

This thesis presents briefly the basic operation and use of centrifugal pumps and parallel pumping applications. The characteristics of parallel pumping applications are compared to circuitry, in order to search analogy between these technical fields. The purpose of studying circuitry is to find out if common software tools for solving circuit performance could be used to observe parallel pumping applications. The empirical part of the thesis introduces a simulation environment for parallel pumping systems, which is based on circuit components of Matlab Simulink —software. The created simulation environment ensures the observation of variable speed controlled parallel pumping systems in case of different controlling methods. The introduced simulation environment was evaluated by building a simulation model for actual parallel pumping system at Lappeenranta University of Technology. The simulated performance of the parallel pumps was compared to measured values of the actual system. The gathered information shows, that if the initial data of the system and pump perfonnance is adequate, the circuitry based simulation environment can be exploited to observe parallel pumping systems. The introduced simulation environment can represent the actual operation of parallel pumps in reasonably accuracy. There by the circuitry based simulation can be used as a researching tool to develop new controlling ways for parallel pumps.

Tuulivoimakäytön simulointityökalun käyttöliittymän kehittäminen

Tämä diplomityö käsittelee tuulivoimakäytön simulointia. Tuuligeneraattoreiden yleisimpiä konsepteja tarkastellaan sekä konseptien markkinaosuudet esitetään. Työssä käsitellään tuulivoimakäytön simulointiohjelmistoja, ja esitellään Matlab/Simulink-ohjelmistolla kehitetyn simulointityökalun käyttöliittymä. Käyttöliittymää analysoidaan syvällisemmin kuvaamalla sen kehitykseen liittyneitä vaiheita ja toiminnallisuuden kannalta tehtyjä ratkaisuja. Kehitetystä simulointityökalusta esitetään käyttötapausanalyysi.

DC Boost Stage in Photovoltaic Systems

The performance of Grid connected Photovoltaic System working with DCBoost stage is investigated. The DC-Boost Converter topology is deduced from three phase half controlled bridge and controlled by Sliding Mode Control. Due to the fact that Grid connected Photovoltaic System includes Solar cells as a DC source and inverter for grid connection, those are under the scope of this research as well. The advantages of using MPPT are analyzed. The system is simulated in Matlab-Simulink™ environment.

Aaltovoimalaitteen toimintaperiaatteen analysointi

Diplomityö tehtiin Wello Oy:n toimeksiannosta. Wello Oy on vesi- ja tuulivoimaratkaisuihin keskittynyt yritys, joka kehittää aaltovoimalaitekonseptia. Työssä selvitettiin aaltovoimaan liittyviä ilmiöitä ja aaltovoimalaitteen mekaanista konseptia ja tehtiin arvio niiden tehokkuudesta. Työssä käytettiin kaupallisia simulointityökaluja kuten monikappaledynamiikan simulointiohjelmaa MSC.ADAMS R3:a ja yleistä matematiikka ohjelmaa Matlab Simulink:ia. Simulointimallia käytettiin arvioimaan laitteen yleistä käyttäytymistä. Lisäksi laitteen analyyttisiä malleja käytettiin laitteen toimintaperiaatteen selvitykseen. Simulointia käytettiin kelluvan laitteen mekanismin tutkimukseen. Tuloksiin pohjautuen laitteelle määriteltiin teoreettiset maksimiteho rajat ja rajoitteet, jotka vaikuttavat laitteen tehokkuuteen.

Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.

Control methods for arc welding power supplies

Welding is one of the most important process of modern industry. Welding technology is used in the manufacture and repair a wide variety of products from different metals and alloys. In this thesis the different aspects of arc welding were discussed, such as stability and control of welding arc, power supplies for arc welding (especially the welding inverters because it is the most modern welding power source). All parameters of power source have influence on the arc parameters and its by-turn influence on quality. The ways of control for arc welding inverter power sources have been considered. Calculations and modeling in Matlab/Simulink were done for PI control method. All parameters of power source have influence on the arc parameters and its by-turn influence on quality.

Comparison and Evaluation of Eddy Current Sensors

In the work eddy current sensors are described and evaluated. Theoretical part includes physical basics of the eddy currents, overview of available commercial products and technologies. Industrial sensors operation was assessed based on several working modes. Apart from this, the model was created in Matlab Simulink with Xilinx Blockset and then translated into a Xilinx ISE Design Suite compatible project. The performance of the resulting implementation was compared to the existing implementation in the Xilinx Spartan 3 FPGA board with the custom made sensor. Additionally, an introduction to FPGAs and VHDL is presented.

Comparação entre dois tipos de suspensão passiva de barra em condições simuladas de pista de prova normalizada

Neste trabalho, foram feitas algumas análises sobre o comportamento dinâmico simulado de dois tipos de suspensões passivas das barras dos pulverizadores tracionados. Estas análises foram conduzidas em condições virtuais de pista de prova normalizada ISO 5008, com dois níveis de velocidade de deslocamento do pulverizador (5 km h-1 e 15 km h-1) e em dois perfis de pista existentes na norma (acidentada e suavizada). Foram utilizados nas simulações os softwares MATLAB®; SIMULINK® e Visual Nastran®. Os resultados mostram que a suspensão do tipo trapezoidal teve melhor desempenho em baixas frequências de excitação (w < 0,2 Hz), enquanto a suspensão do tipo pêndulo simples teve melhor desempenho nas demais condições das pistas normalizadas.