- / -

Το 1987 στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστήμιου Πατρών και συγκεκριμένα στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, στα πλαίσια εκπαιδευτικών και ερευνητικών σκοπών, εγκαταστάθηκε ένα πλήρες αυτοματοποιημένο σύστημα παραγωγής και παροχής ηλεκτρικών τάσεων. Το σύστημα εξελίχθηκε, κατασκευάστηκε και τοποθετήθηκε από την εταιρεία ΑSEA-ABB. Σκοπός του συστήματος ήταν η παροχή 10 διαφορετικών τύπων τάσεων σε 12 συγκεκριμένες θέσεις εργασίας στο χώρο του Εργαστηρίου. Το σύστημα ήταν πλήρως αυτοματοποιημένο, καθώς χρησιμοποιήθηκαν Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLCs) για τον έλεγχο, την εποπτεία και την διαχείριση του συστήματος. Επίσης, υπήρχε Προσωπικός Ηλεκτρονικός Υπολογιστής (PC) άμεσα συνδεμένος στο σύστημα, βοηθώντας το χειριστή του συστήματος να παρακολουθεί, να διαχειρίζεται και να διανέμει τον κάθε τύπο από τις προσφερόμενες παροχές στις θέσεις εργασίας του εργαστηρίου. Με την πάροδο του χρόνου, το αυτοματοποιημένο αυτό σύστημα, εμφάνισε βασικά λειτουργικά προβλήματα με αποτέλεσμα να μειωθεί δραστικά ο αριθμός των παρεχόμενων τύπων τάσεων, αλλά και η ικανότητα διαχείρισης και διανομής αυτών που παρέχονταν. Ουσιαστικά οι παροχές Ε9 και Ε10 δεν λειτούργησαν ποτέ. Η ανάγκη, όμως, για άμεση αποκατάσταση της λειτουργίας του εργαστηρίου οδήγησε στην κατασκευή αυτόνομης κονσόλας, η οποία με την χρήση κλασσικών διακοπτών διαχειρίζονταν και διένειμε τις Ε1, Ε2 και Ε3 παροχές του αρχικού συστήματος. Αποτέλεσμα αυτού ήταν η μείωση των τύπων των τάσεων που παρέχονταν στο εργαστήριο, αλλά και η πλήρης έλλειψη ελέγχου και εποπτείας της λειτουργίας του συστήματος. Για την λύση των προβλημάτων του προαναφερθέντος συστήματος, με τελικό αποτέλεσμα την κανονική και ομαλή λειτουργία του προτάθηκε η υλοποίηση ενός σύγχρονου δικτύου αυτοματισμού με τη χρήση σύγχρονου PLC, καθώς και η ενσωμάτωση ενός συστήματος εποπτικού και διαχειριστικού ελέγχου με τη χρήση λογισμικού τύπου SCADΑ(Supervisory Control And Data Acquisition). Την πρωτοβουλία για την υλοποίηση αυτής της πρότασης ανέλαβε ο Καθηγητής Δρ. – Μηχανικός Αθανάσιος Ν. Σαφάκας, ο οποίος ανέθεσε την υλοποίηση αυτού του έργου σε προπτυχιακούς φοιτητές, στα πλαίσια της εκπόνησης της διπλωματικής τους εργασίας. Έτσι, η υλοποίηση πραγματοποιήθηκε σε τρία στάδια. Πιο αναλυτικά, στην πρώτη φάση, πραγματοποιήθηκαν η πλήρης καταγραφή του συστήματος και η υλοποίηση των παροχών Ε1 και Ε2. Στη δεύτερη φάση, πραγματοποιήθηκε η υλοποίηση των Ε3, Ε4 και Ε5 παροχών Έτσι, στην τρίτη φάση, πραγματοποιήθηκε η υλοποίηση των υπόλοιπων παροχών του συστήματος, δηλαδή των παροχών Ε6, Ε7, Ε8, Ε9 και Ε10. Στη συνέχεια, γίνεται λεπτομερής καταγραφή και ανάλυση της τρίτης φάσης υλοποίησης και ολοκλήρωσης του συστήματος παροχής ηλεκτρικών τάσεων στο εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας. / -

- / -

Σήμερα η μελέτη των τεχνητών νευρωνικών δικτύων είναι ένα ώριμο επιστημονικό πεδίο. Τα πρώτα μοντέλα νευρωνικών δικτύων έκαναν την εμφάνιση τους την δεκαετία 1940 έως 1950, ξεκινώντας από το βασικό μοντέλο του νευρώνα του Mc Culloch-Pitls και τον πρώτο αλγόριθμο εκπαίδευσης ενός νευρώνα, τον γνωστό Perceptron του Frank Rosenblatt. Σήμερα υπάρχουν πληθώρα νευρωνικών μοντέλων που ακολουθούν διάφορα πρότυπα μάθησης όπως εκπαίδευση με εποπτεία (επίβλεψη) εκπαίδευση χωρίς εποπτεία κ.α. Η εργασία αυτή αποτελείται από 6 κεφάλαια ξεκινώντας από τις βασικές έννοιες των τεχνητών νευρωνικών δικτύων και συνεχίζοντας μέχρι την ανάλυση των ανατροφοδοτούμενων νευρωνικών δικτύων καθώς και την χρήση τους στον έλεγχο συστημάτων παρουσιάζοντας και διάφορες εφαρμογές τους. Στο πρώτο εισαγωγικό κεφάλαιο αναφέρουμε τις βασικές αρχές των τεχνητών νευρωνικών δικτύων και την αντιστοιχία τους με τον φυσικό νευρώνα του ανθρώπου. Παραθέτουμε επίσης μια σύντομη ιστορική αναδρομή Στην συνέχεια στο κεφάλαιο 2 ασχολούμαστε με τα ανατροφοδοτούμενα νευρωνικά δίκτυα. Δίνεται ένας ορισμός τον ανατροφοδοτούμενων νευρωνικών δικτύων (recurrent neural networks RNN) και αναφέρονται τα κυριότερα και δημοφιλέστερα είδη αυτών. Δίνοντας μια σύντομη ανάλυση της λειτουργίας τους. Το τρίτο κεφάλαιο ασχολείται με την εκπαίδευση των νευρωνικών δικτύων και τους διάφορους αλγόριθμους εκπαίδευσης. Ξεκινώντας από τον αλγόριθμο εκπαίδευσης του πιο απλού νευρωνικού δικτύου του Perceptron και καταλήγοντας στον αλγόριθμο Back-Propagation. Το τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται στον έλεγχο συστημάτων και την χρήση των νευρωνικών και ανατροφοδοτούμενων νευρωνικών δικτύων σε αυτόν. Αναλύονται οι διάφορες μοντελοποιήσεις καθώς και οι δομές ελέγχου (υπό επίβλεψη , αντίστροφος έλεγχος, προσαρμοστικός γραμμικός έλεγχος κ.α.) Στα δύο τελευταία κεφάλαια παραθέτουμε ένα παράδειγμα χρήσης ενός απλού ανατροφοδοτούμενου νευρωνικού δικτύου (simple recurrent network SRN) στον έλεγχο και τέλος εφαρμογές των νευρωνικών δικτύων σε διάφορους τομείς. / -

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι ο έλεγχος ενός ανάστροφου εκκρεμούς φορτίου πλατφόρμας-σφαίρας (cart-ball) με χρήση ασαφούς ελέγχου ο οποίος υλοποιείται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή στο περιβάλλον προγραμματισμού National Instruments LabVIEW 2009. Το φυσικό σύστημα αποτελείται από μία μεταλλική πλατφόρμα σταθερά προσδεδεμένη σε ένα γραμμικό άξονα της εταιρίας FESTO. Για την κίνηση του άξονα χρησιμοποιείται τριφασικός ηλεκτρικός σερβοκινητήρας, επίσης της FESTO, ο έλεγχος του οποίου γίνεται με χρήση ειδικού προγραμματιζόμενου ελεγκτή της ίδιας εταιρίας. Πάνω στην μεταλλική πλατφόρμα έχει τοποθετηθεί μία αψίδα παράλληλη στη διεύθυνση κίνησης της πλατφόρμας. Πάνω στην αψίδα έχουν δημιουργηθεί δύο οδηγοί επικαλυμμένοι με σκόνη γραφίτη σε μορφή κόλλας, η οποία τους κάνει ηλεκτρικά αγώγιμους. Ο ένας από τους οδηγούς έχει τάση 10V στα άκρα του ενώ το ένα άκρο του άλλου αγωγού είναι γειωμένο. Στόχος του αυτομάτου ελέγχου είναι να ισορροπήσει πάνω στην αψίδα μία μεταλλική σφαίρα. Η μεταλλική σφαίρα βραχυκυκλώνει τους δύο αγώγιμους οδηγούς και κατ' αυτό τον τρόπο, με την αρχή του ροοστάτη, λαμβάνεται η θέση της σφαίρας. Η μέτρηση της τιμής της θέσης της σφαίρας όπως και η θέση και η ταχύτητα της πλατφόρμας, οι οποίες λαμβάνονται από τον ελεγκτή του κινητήρα, εισάγονται στον υπολογιστή, μέσω ειδικής κάρτας Εισόδου/Εξόδου (Ε/Ε) της εταιρίας National Instruments, όπου λαμβάνονται από το LabVIEW και οδηγούνται στον ασαφή ελεγκτή που υλοποιείται στο ίδιο πρόγραμμα. Η ταχύτητα της σφαίρας λαμβάνεται επίσης υπ' όψιν στον αυτόματο έλεγχο και προκύπτει στο LabVIEW από παραγώγιση της θέσης της σφαίρας. Το ασαφές σύστημα αποτελείται από πέντε συναρτήσεις συμμετοχής για τη μεταβλητή της θέσης, τρεις συναρτήσεις συμμετοχής για τη μεταβλητή της ταχύτητας και εφτά συναρτήσεις συμμετοχής για την έξοδο του ελεγκτή που εκφράζει την επιθυμητή ταχύτητα της πλατφόρμας. Ο συμπερασμός γίνεται με χρήση 22 κανόνων. Η έξοδος του ασαφούς ελεγκτή εκφράζεται με μια τιμή από -10V έως +10V. Η έξοδος από τον ασαφή ελεγκτή οδηγείται πάλι μέσω της ειδικής κάρτας Ε/Ε στον προγραμματιζόμενο ελεγκτή του κινητήρα της FESTO ο οποίος ελέγχει κατάλληλα το ρεύμα τυλίγματος του κινητήρα ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή ταχύτητα. Η περίοδος του ελέγχου είναι 100 ms. Τα αποτελέσματα του ελέγχου του πιο πάνω συστήματος κρίνονται γενικά ικανοποιητικά δεδομένης της ισχυρής αστάθειας που το χαρακτηρίζει. / The subject of the thesis is the automatic control of an inverted pendulum consisting of a cart and a ball. We used fuzzy control to balance the ball on top of an arch. The controller was created in LabView 2009.

Το ερευνητικό αντικείμενο της Διατριβής είναι τα θέματα σθεναρότητας του προκύπτουν στα Δικτυωμένα Συστήματα Ελέγχου (Νetworked Cοntrοlled Systems - εφεξής "ΝCS"), όπου η βασική πηγή αβεβαιότητας είναι οι καθυστερήσεις λόγω δικτύου. Στο πλαίσιο αυτό παρουσιάζονται απότελέσματα του αφορούν στην ανάλυση σθεναρής ευστάθειας και στην σύνθεση σθεναρών ελεγκτών. Να επισημανθεί ότι στην Διατριβή, ο προσδιορισμός "σθεναρός" αφορά απόκλειστικά σθεναρότητα (ευστάθειας και επιδόσεων) ως προς τις αβέβαιες, χρονικά μεταβαλλόμενες, φραγμένες καθυστερήσεις. Τα μελετώμενα ΝCS απαρτίζονται από την διασύνδεση γραμμικών χρονικά αμετάβλητων συστημάτων συνεχούς χρόνου με ελεγκτές διακριτού χρόνου. Η βασική διάρθρωση των συστημάτων αυτών απαρτίζεται από έναν "οδηγούμενο από χρόνο" (time driven) αισθητήρα / δειγματολήπτη (με σταθερή περίοδο δειγματοληψίας h) που μεταδίδει μέσω του δικτύου τα δείγματα που λαμβάνει από το σύστημα στον "οδηγούμενο από γεγονότα" (event–driven) ελεγκτή. Ακολούθως ο ελεγκτής υπολογίζει την δράση ελέγχου και την μεταδίδει μέσω του δικτύου στον "οδηγούμενο από γεγονότα" (eveτιt–driven) ενεργοποιητή. Οι διαδικασίες της μοντελοποίησης, της ανάλυσης ευστάθειας και της σύνθεσης σθεναρών ελεγκτών (στατικών αλλά και κατά τμήματα γραμμικών) στην εργασία αυτή λαμβάνουν χώρα στο πεδίο του διακριτού χρόνου μετά από διακριτοποίηση του συνολικού συστήματος. Όσον αφορά στην ανάλυση σθεναρής ευστάθειας προτείνονται δύο προσεγγίσεις: • η πρώτη, βασιζόμενη σε ανάλυση ιδιαζουσών τιμών, είναι υπολογιστικά ελκυστική αλλά συνήθως δίδει συντηρητικά αποτελέσματα, • ενώ η δεύτερη, διατυπωμένη σαν ανισότητα πινάκων (LMI), είναι απαιτητική ως προς τον χρόνο υπολογισμού αλλά δίδει αποτελέσματα με μειωμένο συντηρητισμό. Όσον αφορά στην σύνθεση σθεναρών ελεγκτών ανατροφοδότησης κατάστασης μελετώνται οι εξής προσεγγίσεις: • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης "εγγυημένου κόστους" που απαντάει στην συνδυασμένη απαίτηση ευστάθειας και επίδοσης • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης με περιορισμό (Cοnstrained Controller) για ΝCS με "μικρή καθυστέρηση". Επέκταση των αποτελεσμάτων για ΝCS με "μεγάλη καθυστέρηση". Εφαρμογή των παραπάνω αποτελεσμάτων σε προβλήματα παρακολούθησης σταθερής εντολής (set point tracking). • Σύνθεση σθεναρής ευσταθειοποιούσας ανατροφοδότησης κατάστασης με περιορισμό (Constrained Controller), για ΝCS με μικρή και διακοπτική καθυστέρηση. / This research work is concerned with robustness issues arising in Νetworked Cοntrοlled Systems - ("ΝCS"), where the main sources of uncertainty are the time-varying network-induced delays. In this framework the presented results concern robust stability analysis and synthesis of robust controllers. The NCS studied consist of a Linear Time Invariant continuous time plant and a discrete time controller. This configuration includes a time driven (periodic) sampler (taking samples from the sensors with constant sampling period h) and an event–driven controller which transmits the control command via the network to the event–driven actuator. Two modeling approaches for Networked Controlled Systems (NCS) with uncertainly varying bounded transmission delays and static discrete--time control laws are presented. Different models are offered for each case, all linked to the objective of designing robust discrete-time controllers. It is analytically shown how the careful mixing of asynchronous (event--driven) and synchronized (clocked) signals can lead to discrete time uncertain (possibly switched) systems, where results form robust control analysis and synthesis can be applied. After showing the implications of these modelling results for control synthesis purposes, sufficient conditions for the robust stability are given for each approach and a comparison of the conservatism of results is discussed The first group of robust stability results (one for each of the two discrete-time NCS models) is based on a singular value formulation, which although conservative, is extremely simple and has low computational cost The second one is derived and expressed via Linear Matrix Inequalities (LMI) and yields less conservative results at the expense of higher computational cost. Regarding the synthesis of Robust controllers, the following four methodologies were developed: 1. Synthesis of Robust Static State feedback 2. Synthesis of Robust Static State feedback via the “Guaranteed Cost Formulation” which combines stability and performance design objectives 3. Synthesis of Constrained Robust feedback controller (with a Piecewise Affine Structure) which respects the constraints on the control effort and the state (or output). 4. The previous result (Constrained Robust feedback controller) is then generalized for set-point tracking and for various types of network-induced delays (small, large and switching delays)

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε το πρόβλημα της σταθεροποίησης συστημάτων αναερόβιας χώνευσης σε συνθήκες μεγιστοποίησης του παραγόμενου βιοαερίου, υπό την παρουσία διαταραχών στην είσοδο του συστήματος. Εξήχθη ένα απλοποιημένο μοντέλο δύο καταστάσεων, για χρήση του για τους σκοπούς της ρύθμισης της διεργασίας. Για την παρακολούθηση της διεργασίας κατασκευάσθηκε ένα περιβάλλον παρακολούθησης σε LabView, με τη μέτρηση να είναι ο ρυθμος παραγωγής του βιοαερίου. Για τη σταθεροποίηση του συστήματος, αναπτύχθηκε ένας αναλογικός, ως προς τη μέτρηση του βιοαερίου, νόμος ανάδρασης εξόδου. Ο νόμος ανάδρασης σταθεροποιεί τη διεργασία σε μία μεγάλη περιοχή γύρω από τη βέλτιστη μόνιμη κατάσταση, χωρίς να οδηγεί στην έκπλυση της βιομάζας. Αυτή η ικανότητα του ρυθμιστή, δοκιμάσθηκε τόσο σε επίπεδο προσομοιώσεων όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Αναπτύχθηκε, επίσης, θεωρία σχεδιασμού μη γραμμικών παρατηρητών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση των άγνωστων καταστάσεων και παραμέτρων της διεργασίας, που δεν μπορούν να μετρηθούν, καθώς και για την ανίχνευση πιθανών διαταραχών και υπολογισμό του μεγέθους τους. / The present work studied the problem of stabilization of anaerobic digesters in maximum biogas production rate conditions, under the effect of disturbances in the feed. A two state, simplified model was developed for control purposes. For monitoring of the process, a LabView monitoring environment was developed, with the biogas production rate being the measured output of the system. For stabilizing the system of the anaerobic reactor, a proportional with respect to the measured methane production rate output feedback control law was developed. The control law stabilizes the process in a very large region around the optimal steady state without driving the system towards washout of the biomass. This ability of the controller was tested both with simulation and experimentally. Also a nonlinear observer theory was developed. The designed nonlinear observer was used for estimating the unknown states and parameters of the system that cannot be measured and for the detection of the potential presence and magnitude of a disturbance.

Το έτος 1987 στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστήμιου Πατρών και συγκεκριμένα στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, στα πλαίσια εκπαιδευτικών και ερευνητικών σκοπών, εγκαταστάθηκε ένα πλήρες αυτοματοποιημένο σύστημα παράγωγης και παροχής ηλεκτρικών τάσεων. Σκοπός του συστήματος ήταν η παροχή 10 διαφορετικών τύπων τάσεων σε 15 συγκεκριμένες θέσεις εργασίας στο χώρου του Εργαστηρίου. Το σύστημα ήταν πλήρως αυτοματοποιημένο, καθώς χρησιμοποιήθηκε προγραμματιζόμενος λογικός ελεγκτής (PLC) που ήταν επιφορτισμένος με τον έλεγχο, την εποπτεία και τη διαχείριση του Συστήματος. Επίσης υπήρχε προσωπικός Η/Υ άμεσα συνδεδεμένος στο σύστημα, μέσω του όποιου ο διαχειριστής του μπορούσε να παρακολουθεί, να διαχειρίζεται και να διανέμει τον κάθε τύπο από τις προσφερόμενες παροχές. Το σύστημα με την πάροδο του χρόνου εμφάνισε βασικά λειτουργικά προβλήματα, με αποτέλεσμα να μειωθεί δραστικά ο αριθμός των παρεχόμενων τύπων τάσεων, αλλά και η ικανότητα διαχείρισης και διανομής αυτών που παρέχονταν. Πιο συγκεκριμένα, το τμήμα τoυ προγραμματιζόμενoυ λογικού ελεγκτή (PLC) και του συνδεδεμένου Η/Υ του συστήματος ουσιαστικά και πρακτικά είχε τεθεί πλέον πλήρως εκτός λειτουργίας. Στόχος και σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η λύση των προβλημάτων του προαναφερθέντος συστήματος με τελικό αποτέλεσμα την κανονική και ομαλή λειτουργία του. Η λύση που προτείνεται είναι η υλοποίηση και η ενσωμάτωση ενός σύγχρονου δικτύου αυτοματισμού με τη χρήση σύγχρονων PLC (επιλέχθηκε η εταιρεία OMRON) καθώς και η ενσωμάτωση ενός συστήματος εποπτικού και διαχειριστικού ελέγχου, λογισμικό τύπου SCADΑ της ίδιας εταιρείας. Αναλύονται διεξοδικά τόσο ο τρόπος παραγωγής των τάσεων με τα αντίστοιχα κυκλώματα ισχύος όσο και ο τρόπος διανομής και διαχείρισης αυτών με τα αντίστοιχα κυκλώματα αυτοματισμού. Εμπεριέχονται εκτενείς αναφορές στα σύγχρονα PLC, στον τρόπο λειτουργίας και προγραμματισμού τους καθώς και ο τρόπος με τον οποίο είναι δυνατό να ενσωματωθούν και να λειτουργήσουν πλήρως στο υπάρχον σύστημα. Γίνεται μια εισαγωγή στα σύγχρονα συστήματα διαχείρισης και εποπτικού ελέγχου (SCADA) ώστε να μπορεί ο κάθε αναγνώστης, χωρίς να χρειάζονται υψηλού επιπέδου γνώσεις, να κατανοήσει τη χρησιμότητα και τη λειτουργία τους και μελετείται ο τρόπος με τον οποίο θα υλοποιηθεί το παραπάνω δίκτυο αυτοματισμού με τη χρήση των PLC και με την παρουσία του εποπτικού συστήματος SCADA. Γίνεται πλήρης αναφορά σε έναν πολύ βασικό τομέα του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού στη σύγχρονη εποχή: τον υπολογισμό κόστους προμήθειας, εγκατάστασης και κατασκευής όλων των στοιχείων του εγχειρήματος και μελετούνται όλες οι παράλληλες επιλογές για την καλύτερη δυνατή λειτουργία του και την περαιτέρω ανάπτυξη και βελτίωση του. / The year 1987 in the Department of Electrical and Computer Engineering University of Patras and specifically in Electromechanical Energy Conversion Laboratory Department of Electrical Engineering, in educational and research purposes, installed a complete automated system for producing and providing electrical voltages. This system was able to provide 10 different types of voltages in 15 stations in the area of Laboratory. The system was fully automated, used a Programmable Logic Controller (PLC), which was responsible for monitoring, supervision and management system. Also there was a PC directly connected to the system, through which the administrator can monitor, manage and distribute each type of voltage. The system through the walking time showed major operational problems. As a result, the number of the types of voltages and the ability to manage and distribute those provided reduced drastically. Specifically, the part of programmable logic controller (PLC) and the connected computer system effectively and practically has run out of order. The purpose of this work was the solution of problems of the system and ultimately with final result the normal and smooth operation. The solution proposed is the implementation and integration of a modern network automation using modern PLC (the company chosen is OMRON) and the incorporation of a supervisory control and data acquisition application and (SCADA) software of the same company. Analyzed in detail both the production voltages with the respective power circuits and the method of distribution and management of the automation circuits. Contained extensive references to contemporary PLC, in operations and programming, and how it is possible to integrate and operate fully in the existing system. There is an introduction to SCADA to enable each reader without the need for high-level knowledge to understand the utility and operation, and considering how we implement the above automation network using a PLC and SCADA application. We mention a very important area of Electrical Engineering in the modern era: counting the cost of supply, installation and construction of all elements of the project and consider all parallel options for optimal operation and further development and improvement.