Ο πρωταρχικός στόχος αυτής της εργασίας είναι να μελετηθεί η υποδιαδικασία κατά την παραγωγή χαρτιού, γνώστη και ως πολτοποίηση. Η πολτοποίηση αφορά το στάδιο οπού το πριονίδι, παρουσία νερού περνά μέσα από τον πολτοποιητή ο οποίος αποτελείται από δύο πιάτα που περιστρέφονται με αντίθετη φορά, το πριονίδι διαλύεται και μαζί με το νερό δημιουργούν το μίγμα του χαρτοπολτού. Η εν λόγω διαδικασία χαρακτηρίζεται από υψηλή πολυπλοκότητα λόγω της δυσκολίας που παρουσιάζει στη μαθηματική μοντελοποίηση. Σε αυτή την εργασία, εξετάζονται ήδη υπάρχουσες προσεγγίσεις στο θέμα της μοντελοποίησης. Διαφορετικές προσεγγίσεις πάνω στη μοντελοποίηση εχουν γίνει τα τελευταία χρόνια από τους μηχανικούς, υπό την έννοια οτι χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές μεταβλητές ως έξοδοι και ως είσοδοι και πληθώρα μεθόδων μοντελοποίησης. Τα σημαντικότερα μοντέλα ανοιχτού βρόχου που βρεθήκαν στη βιβλιογραφία εξομοιώνονται και τα χαρακτηριστικά τους αναλύονται. Ο στόχος της εργασίας είναι να καθοριστεί αν οι προαναφερθείσες μοντελοποιήσεις μπορούν να ελεγχθούν με επιτυχία μέσω ενός Model Predictive Controller (MPC). Εκτεταμένες προσομοιώσεις πραγματοποιούνται όπου οι παράμετροι του ελεγκτή εξετάζονται λεπτομέρως ώστε να διαπιστωθεί το αντίκτυπο τους στην όλη διαδικασία. Προκειμένου να εξεταστεί η αποδοτικότητα του ελεγκτή, δεδομένα τα οποία πάρθηκαν από πραγματική βιομηχανία συγκρίνονται με αυτά του MPC τα οποία παράχθηκαν μέσω του MATLAB. / The initial objective of this diploma thesis is to investigate and examine the papermaking’s sub-process also known as pulping. Pulping concerns the stage where wood chip along with water is being passed through a refiner that consists of two counter rotating discs, woodchip is being smashed and with the presence of water the pulp mixture is being created. This process is being characterized as highly complex because of the difficulties that appear in its mathematical modeling. In this thesis, the existing modeling approaches developed for the pulp and paper refining process are also being investigated. Different approaches have been developed towards the modeling of the process during the past years, where engineers utilized different controlled and manipulated variables as well as a variety of modeling methods. The most important pulp and paper refiner open-loop model approximations, extracted from the existing related literature, are being simulated and their characteristics are being examined in detail. This work’s main and final objective is to determine if the aforementioned modeling approaches of the pulp and paper refining process can be successfully controlled via a Model Predictive Control (MPC) based structure. Extensive simulation trials are being carried out, where the MPC parameters are being investigated in detail regarding their effect on the overall control performance of the pulp and paper refining process. In order to further evaluate the efficacy of the proposed control scheme, the MPC related results are being compared to experimental data extracted from a real refining system that utilizes a generic industrial controller.

Συστήματα μαγνητικών ταινιών χρησιμοποιούνται ευρέως ως μέσα αποθήκευσης και αποκατάστασης δεδομένων. Λόγω του χαμηλού τους κόστους αναλογικά των σκληρών δίσκων συνεχίζουν να προτιμούνται σε μεγάλο πλήθος εφαρμογών όπως δευτερεύουσες συσκευές αποθήκευσης, εγγραφής και επεξεργασίας ηχητικών δεδομένων,βιντεοκάμερες κ.ά. Σε περιπτώσεις όπου θέλουμε να επεξεργαστούμε μια μαγνητοταινία για γρήγορη μεταφορά ή εγγραφή δεδομένων θα πρέπει -η ταινία- να μεταφέρεται σε υψηλή ταχύτητα από το μηχανισμό του συστήματος. Η ταχύτητα αυτή να διατηρείται σταθερή και να βρίσκεται σε συγχρονισμό ε την κεφαλή ανάγνωσης/εγγραφής προς αποφυγή σφαλμάτων μεταφοράς και αναγνώρισης δεδομένων, αναπηδήσεων και χρονικών σφαλμάτων. Σε πιθανά σφάλματα η επαναφορά της ταινίας στο επιθυμητό σημείο αποτελεί τη λύση για την αποκατάσταση του σφάλματος. Η επιτάχυνση και επιβράδυνση που δέχεται η ταινία σε κάθε γρήγορη αναζήτηση δεδομένων προκαλούν τη μεγαλύτερη επιβάρυνση σε αυτή. Ειδικά η συχνή επανατοποθέτηση της ταινίας στο ίδιο ση είο λόγω της βαθμιαίας εξασθένισης του σήματος ανάγνωσης. Σκοπός είναι ο σχεδιασμός ενός μηχανισμού εταφοράς της ταινίας ο οποίος προσφέρει μια ικανοποιητική τάση στην ταινία όπως και ταχύτητα μεταφοράς αυτής. / Optimal control and estimation of a magnetic tape-drive system.

This thesis addresses the problems of design and control of small cooperative unmanned autonomous quadrotor aerial vehicles. A new approach is proposed, for the modeling of the system’s dynamics using linearized Piecewise AffineModels. The Piecewise Affine dynamic–models cover a large part of the quadrotor’s flight envelope while also taking into account the additive effects of environmental disturbances. The effects of aerodynamic forces and moments were also examined. A small quadrotor is designed and developed that emphasizes in the areas of increased on–board computational capabilities, state estimation and modular connectivity. Based on the translational and rotational system’s dynamics: a) a switching model predictive controller, b) an explicitly solved constrained finite time optimal control strategy, and c) a cascade control scheme comprised of classical Proportional Integral Derivative control scheme augmented with angular acceleration feedback, were designed and experimentally tested in order to achieve trajectory tracking under the presence of wind–gusts. The efficiency of the proposed control methods was verified through extended experimental studies. The final quadrotor design utilizes a powerful control unit, a sensor system that provides state estimation based on inertial sensors, ultrasound sonars, GPS and vision chips, and an efficient actuating system. The research effort extended in the field of unmanned aerial vehicles cooperation. Cooperation strategies were proposed in order to address the problems of: a) Forest Fire Monitoring and b) Unknown Area Exploration and Target Acquisition. The Forest FireMonitoring algorithm is formulated based on consensus systems theory formulated as a spatiotemporal rendezvous problem in between the quadrotors. The Area Exploration and Target Acquisition algorithm is formulated based on market–based approaches. / Η συγκεκριμένη διατριβή καταπιάνεται με τα προβλήματα της σχεδίασης και ελέγχου μικρού μεγέθους συνεργαζόμενων μη επανδρωμένων αεροσκαφών με έμφαση στα συστήματα Κάθετης Απογείωσης και Προσγείωσης και ιδιαίτερα στη συστήματα τύπου Quadrotor. Μια νέα προσέγγιση για την μοντελοποίηση της δυναμικής του συστήματος η οποία βασίζεται στη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων προτείνεται. Η μοντελοποίηση με βάση τη θεωρία των Piecewise Affine συστημάτων καλύπτει ένα μεγάλο μέρος του φακέλου πτήσης του αεροσκάφους καθότι συνυπολογίζει μέρος της μη-γραμμικότητας του συστήματος ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα εργαλεία του γραμμικού ελέγχου. Αναπτύσσεται νέα πειραματική πλατφόρμα αεροσκάφους τύπου quadrotor η οποία χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερες ικανότητες υπολογιστικής ισχύος, αυτόνομη εκτίμηση κατάστασης, πολλαπλή συνδεσιμότητα και αποδοτικό σύστημα πρόωσης. Η τελική πλατφόρμα quadrotor ελικοπτέρου UPATcopter ενσωματώνει μικρουπολογιστικό σύστημα υψηλών δυνατοτήτων, ειδικά συστήματα εκτίμησης κατάστασης τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους μέρος των οποίων αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και αποδοτικό υποσύστημα πρόωσης. Τρεις διαφορετικοί νόμοι ελέγχου αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν πειραματικά. Αρχικά δοκιμάσθηκε ένας Constrained Finite Time Optimal Controller, ο οποίος υπολογίζεται πολύ-παραμετρικά και συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών εισόδου και κατάστασης. Ο συγκεκριμένος ελεγκτής υπολογίσθηκε με βάση μια οικογένεια Piecewise Affine αναπαραστάσεων του υποσυστήματος προσανατολισμού και δοκιμάσθηκε επιτυγχάνοντας αποδοτικό έλεγχο του προσανατολισμού του σκάφους. Ακολούθως δοκιμάσθηκε ένας Switching Model Predictive Control βασισμένος στην Piecewise Affine μοντελοποίηση του συστήματος ο οποίος επίσης συνυπολογίζει την επίδραση των περιορισμών του συστήματος και του ρόλου των διαταραχών. Με τη χρήση αυτού του ελεγκτή επιτεύχθηκε έλεγχος προσανατολισμού και θέσης του αεροσκάφους τόσο σε άπνοια όσο και υπό την επίδραση ισχυρών διαταραχών ανέμου. Επιπρόσθετα, δοκιμάσθηκε ελεγκτής βασισμένος στη θεωρία PID ελέγχου επαυξημένος με ανάδραση γωνιακής επιτάχυνσης του συστήματος. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε και στις στρατηγικές συνεργασίας μη επανδρωμένων αεροσκαφών προτείνοντας δύο αλγόριθμους. Συγκεκριμένα προτάθηκε αλγόριθμος για την αντιμετώπιση των προβλημάτων επιθεώρησης δασικής πυρκαγιάς και αλγόριθμος εξερεύνησης μιας άγνωστης περιοχής από ομάδα ετερογενών αεροσκαφών.