A game theoretic simulation model for quality oriented timber supply to sawmills

Summary

Estimation of soil nitrate in the spring as a basis for adjustment of nitrogen fertiliser rates

Selostus: Maassa olevan nitraattitypen arviointi simulointimallin avulla

Stability Evaluation of a Paper Machine Wet End

Työssä analysoidaanprosessin vaikutusta paperikoneen stabiiliuteen. Kaksi modernia sanomalehtipaperikonetta analysoitiin ja sen perusteella molemmista prosesseista rakennettiin fysiikan lakeihin perustuvat simulointimallit APROS Paper simulointiohjelmistolla. Työn tavoitteena on selvittää, miten kyseisten koneiden prosessit eroavat toisistaan ja arvioida, miten havaitut erot vaikuttavat prosessien stabiiliuteen. Työssä tarkastellaan periodisten häiriöiden vaimenemista prosessissa. Simuloinnissa herätteenä käytettiin puhdasta valkoista kohinaa, jonka avulla eri taajuistenperiodisten häiriöiden vaimenemista analysoitiin. Prosessien häiriövasteet esitetään taajuuskoordinaatistossa. Suurimmat erot prosessien välillä löytyivät viirakaivosta ja sen sekoitusdynamiikasta. Perinteisen viirakaivon todettiin muistuttavan käyttäytymiseltään sarjaan kytkettyjä ideaalisekoittimia, kun taas pienempitilavuuksisen fluumin todettiin käyttäytyvän lähes kuin putkiviive. Vaikka erotprosessitilavuudessa sekä viirakaivon sekoitusdynamiikassa olivat hyvin selkeät, havaittiin vain marginaalinen ero prosessin välillä periodisten häiriöiden vaimenemisessa, koska erot viiraretentiotasoissa vaikuttivat eniten simulointituloksia. Matalammalla viiraretentiolla operoivan paperikoneen todettiin vaimentavan tehokkaammin prosessihäiriöitä. Samalla retentiotasolla pienempitilavuuksisen prosessin todettiin vaimentavan hitaita prosessihäiriöitä marginaalisesti paremmin. Tutkituista paperikoneista toisella simuloitiin viiraosan vedenpoistomuutoksenvaikutusta viiraretentioon ja paperin koostumukseen. Lisäksi arvioitiin viiraretention säädön toimivuutta. Viiraosan listakengän vedenpoiston todettiin aiheuttavan merkittäviä sakeus- ja retentiohäiriöitä, mikäli sen avulla poistettavan kiintoaineen virtaus tuplaantuisi. Viiraretention säädön todettiin estävän häiriöiden kierron prosessissa, mutta siirtävän ne suoraan rainaan. Retention säädön eikuitenkaan todettu olevan suoranainen häiriön lähde.

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.

Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

D-luokan audiovahvistimen modulointimenetelmien vertailu ja valinta

Tässä työssä esitellään kaksi D-luokan audiovahvistimissa käytettyä modulointimenetelmää ja vertaillaan niiden välisiä ominaisuuksia. Esitellyt menetelmät ovat pulssinleveysmodulaatio sekä sigma-deltamodulaatio. Lisäksi työssä esitellään signaalin käsittelyssä muodostuvan kohinan ja särön syntyä ja menetelmiä niiden välttämiseksi. Menetelmien ominaisuuksien vertailuun muodostetaan simulointimallit Simulink-ohjelmalla. Simulointitulosten perusteella valitaan käytettävä modulointimenetelmä audiovahvistinsovellukseen huomioon ottaen asetetut vaatimukset ja tavoitteet. Lopuksi valitun modulointimenetelmän suunnittelun pääkohtiin kiinnitetään huomiota.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Sataman informaatiokeskuksen mahdollisuudet ympäristövaikutusten vähentämisessä

Logistiikka ja etenkin kuljetukset aiheuttavat suuren määrän suoria päästöjä ilmaan sekä muita ympäristövaikutuksia ihmisille ja luonnolle. Suomessa ja muissa EU-maissa kuljetusten tuottamat päästöt muodostavat yli viidenneksen kaikista päästöistä, joten puhutaan merkittävästä päästöjen vähentämistarpeesta. Tietoteknisten ratkaisujen nopea kehittyminen on mahdollistanut tietotekniikan hyödyntämisen myös logistiikassa ja logistiikan tuottamien päästöjen vähentämisessä. Tietotekniset ratkaisut ovat mahdollistaneet muun muassa sähköisten kartta- ja paikannusohjelmistojen käytön, kuljetusreittien optimoinnin, lastien ja kuljetusten seurannan, sähköisten dokumenttien hyödyntämisen sekä päästöjen laskemisen erilaisten tietoteknisten sovellusten avulla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää Port Community System (PCS) -järjestelmän eli satamayhteisön informaatiokeskuksen mahdollisuuksia vähentää ympäristövaikutuksia Suomessa ja erityisesti Kymenlaaksossa. Tutkimuksessa on selvitetty yleisesti logistiikan ympäristövaikutuksia ja tutkittu EU:n ohjauskeinoja logistiikan ympäristökuormitusten vähentämiseksi. Kymenlaakson alueelta on kartoitettu tavaraliikenteen päästömäärien nykytilaa ja kehitystä laskemalla auto-, juna- ja laivaliikenteen ympäristövaikutuksia vuosilta 2001–2009. Lisäksi tutkimuksessa on selvitetty, millaisia logistiikkaan liittyviä älyliikenne- ja tietotekniikkahankkeita ja -visioita EU:n tasolla on vireillä sekä tutkittu ICT-ratkaisujen mahdollisuuksia ympäristöhaittojen vähentämisessä. Kirjallisuustutkimukseen perustuen on arvioitu ja pohdittu Suomeen soveltuvan PCS-järjestelmän ympäristöhyötyjä ja ympäristötyökaluja. Lisäksi tutkimuksessa on tarkasteltu kahden case-esimerkin avulla, minkälaisia logistisia toimintoja helpottavia ja ympäristöasioita parantavia tietojärjestelmiä logistiikkayrityksillä on käytössä. Tutkimuksen perusteella tavaraliikenteen päästöt Kymenlaakson alueella ovat vuosien 2001–2007 aikana kasvaneet merkittävästi, mutta talouden taantuman ja tavarakuljetusten vähenemisen seurauksena päästömäärät ovat olleet jyrkässä laskussa vuosina 2008 ja 2009. Merkittävin päästökomponentti on ollut hiilidioksidi ja eniten päästöjä on aiheutunut maantieliikenteestä. EU:n tasolla on vireillä useita erilaisia hankkeita ja visioita logistiikan päästöjen vähentämiseksi, mutta monessa tapauksessa niiden täytäntöönpano vaatii vielä vuosien työn. Kirjallisuustutkimuksen perusteella ICT-ratkaisujen avulla saavutettavissa olevat ympäristöhyödyt vaihtelevat pienistä parannuksista (esim. päästöjen simulointimallit) suuriin maailmanlaajuisiin ratkaisuihin (esim. kuljetusreittien optimointi ja rahdin seuranta globaaleissa toimitusketjuissa). Merkittävimmät PCS-järjestelmällä saavutettavissa olevat ympäristöhyödyt ovat kuljetusten ja logististen toimintojen yleinen tehostuminen ja sen myötä päästöjen vähentyminen sekä paperisten asiakirjojen ja tulostettavan paperimäärän väheneminen PCS-järjestelmän mahdollistaman sähköisiin dokumentteihin siirtymisen myötä. PCS-järjestelmän avulla voidaan vaikuttaa ympäristöasioihin myös epäsuorasti muun muassa reittien ja lastikapasiteetin optimoinnin, lastin seurannan, älykkään valaistuksen ja palvelinkeskusten kautta. Mahdollisista ympäristöhyödyistä huolimatta taloudellisen hyödyn tavoittelu ja palveluiden toiminnallinen parantaminen menevät valitettavan usein ympäristöasioiden edelle. Vihreiden arvojen korostaminen järjestelmiä suunniteltaessa voi kuitenkin tuoda suurta kilpailuetua ja edistää ympäristön suojelua laajemminkin.

Vibrations in Rotating Machinery Arising from Minor Imperfections in Component Geometries

Vibrations in machines can cause noise, decrease the performance, or even damage the machine. Vibrations appear if there is a source of vibration that excites the system. In the worst case scenario, the excitation frequency coincides with the natural frequency of the machine causing resonance. Rotating machines are a machine type, where the excitation arises from the machine itself. The excitation originates from the mass imbalance in the rotating shaft, which always exists in machines that are manufactured using conventional methods. The excitation has a frequency that is dependent on the rotational speed of the machine. The rotating machines in industrial use are usually designed to rotate at a constant rotational speed, the case where the resonances can be easily avoided. However, the machines that have a varying operational speed are more problematic due to a wider range of frequencies that have to be avoided. Vibrations, which frequencies equal to rotational speed frequency of the machine are widely studied and considered in the typical machine design process. This study concentrates on vibrations, which arise from the excitations having frequencies that are multiples of the rotational speed frequency. These vibrations take place when there are two or more excitation components in a revolution of a rotating shaft. The dissertation introduces four studies where three kinds of machines are experiencing vibrations caused by different excitations. The first studied case is a directly driven permanent magnet generator used in a wind power plant. The electromagnetic properties of the generator cause harmonic excitations in the system. The dynamic responses of the generator are studied using the multibody dynamics formulation. In another study, the finite element method is used to study the vibrations of a magnetic gear due to excitations, which frequencies equal to the rotational speed frequency. The objective is to study the effects of manufacturing and assembling inaccuracies. Particularly, the eccentricity of the rotating part with respect to non-rotating part is studied since the eccentric operation causes a force component in the direction of the shortest air gap. The third machine type is a tube roll of a paper machine, which is studied while the tube roll is supported using two different structures. These cases are studied using different formulations. In the first case, the tube roll is supported by spherical roller bearings, which have some wavinesses on the rolling surfaces. Wavinesses cause excitations to the tube roll, which starts to resonate at the frequency that is a half of the first natural frequency. The frequency is in the range where the machine normally operates. The tube roll is modeled using the finite element method and the bearings are modeled as nonlinear forces between the tube roll and the pedestals. In the second case studied, the tube roll is supported by freely rotating discs, which wavinesses are also measured. The above described phenomenon is captured as well in this case, but the simulation methodology is based on the flexible multibody dynamics formulation. The simulation models that are used in both of the last two cases studied are verified by measuring the actual devices and comparing the simulated and measured results. The results show good agreement.