Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να συμβάλλει στην συστηματοποίηση του έργου του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού όταν αναλύει, μοντελοποιεί και σχεδιάζει τον έλεγχο ενός βιομηχανικού συστήματος. Για την μοντελοποίηση βιομηχανικών συστημάτων έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι, όπως τα δίκτυα Petri και όλες οι μορφές αυτομάτων ελέγχου. Τα αυτόματα αποτέλεσαν την βάση για την δημιουργία μιας νέας μεθόδου μοντελοποίησης στα πλαίσια της παρούσας διατριβής. Τα Γενικευμένα Αυτόματα (Global Automata), όπως ονομάστηκε η νέα μέθοδος, δανείζονται χαρακτηριστικά από τις διάφορες προϋπάρχουσες μορφές αυτομάτων, ενώ εισαγάγουν νέες παραμέτρους μοντελοποίησης ώστε να καλύψουν τις όποιες ανάγκες των σύγχρονων βιομηχανικών συστημάτων. Βάσει της μεθόδου αναπτύχθηκαν διάφορα εργαλεία με στόχο την αύξηση της δύναμης μοντελοποίησης της. Το πρώτο εργαλείο περιλαμβάνει μια συστηματοποιημένη τεχνική συγχώνευσης καταστάσεων ενός μοντέλου και αποσκοπεί στον περιορισμό της υπέρμετρης αύξησης του γράφου καταστάσεων, ο οποίος σε περιπτώσεις μεγάλων συστημάτων μπορεί να φτάσει τις δεκάδες χιλιάδες καταστάσεις. Το δεύτερο εργαλείο που αναπτύχθηκε, αποτελεί την σύνθεση αυτομάτων με στόχο την δημιουργία ενός νέου αυτομάτου που έχει την ίδια ακριβώς συμπεριφορά με τα αρχικά. Η σύνθεση επιτρέπει την δημιουργία μοντέλου ακόμα και ενός συστήματος υψηλής πολυπλοκότητας, μέσω σύνθεσης των μοντέλων όλων των υποσυστημάτων του. Τέλος, τα γενικευμένα αυτόματα επιτρέπουν την δημιουργία ιεραρχικών μοντέλων που αποτελούνται από πλήθος αυτομάτων ιεραρχικά δομημένων. Σε αυτή την περίπτωση το αυτόματο του ανωτέρου επιπέδου έχει τον ρόλο του επόπτη-συντονιστή και τροφοδοτεί τα αυτόματα του κατώτερου επιπέδου με δεδομένα, τιμές αναφοράς κτλ. Αναφορικά με τον προγραμματισμό των βιομηχανικών ελεγκτών που θα επωμιστούν τον έλεγχο της διεργασίας παρουσιάζονται δύο εργαλεία παραγωγής κώδικα από ένα γενικευμένο αυτόματο. Το πρώτο εργαλείο παρουσιάζει συστηματικά τα βήματα μετατροπής ενός αυτομάτου σε εκτελέσιμο κώδικα μιας γλώσσας προγραμματισμού υψηλού επιπέδου. Η χρησιμότητα είναι σημαντική κατά την διάρκεια εξομοίωσης ενός μοντέλου και επαλήθευσης της ορθής λειτουργίας του ελεγκτή, αλλά όχι μόνο. Οι σύγχρονες βιομηχανίες είναι εξοπλισμένες με Σταθμούς Εποπτικού Έλεγχου και Συλλογής Πληροφοριών (SCADA) οι οποίοι στην πλειονότητά τους φέρουν ενσωματωμένη δυνατότητα εκτέλεσης κώδικα σε μια γλώσσα υψηλού επιπέδου. Με εκτέλεση του παραγόμενου, από το εργαλείο, κώδικα σε λογισμικό SCADA, μπορεί να επιτευχθεί και έλεγχος του συστήματος. Βέβαια, ο επικρατέστερος τύπος ελεγκτή παραμένει το Προγραμματιζόμενος Λογικός Ελεγκτής, λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών που διαθέτει και υπερισχύει συγκριτικά με τις εναλλακτικές προσεγγίσεις. Η υλοποίηση των γενικευμένων αυτομάτων σε PLC επιτυγχάνεται μέσω του δεύτερου εργαλείου, το οποίο δημιουργήθηκε με βάση το διεθνές πρότυπο IEC 61131-3 και περιγράφει όλα τα συστηματικά βήματα που πρέπει να ακολουθήσει ο μηχανικός για να υλοποιήσει την στρατηγική ελέγχου, που εμπεριέχει ένα γενικευμένο αυτόματα, σε ένα PLC. Το πρότυπο IEC 61131-3 περιλαμβάνει ένα σύνολο πέντε γλωσσών και το εργαλείο σύνθεσης τις περιλαμβάνει όλες δίνοντας κατάλληλες κατευθύνσεις υλοποίησης με βάση τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της καθεμιάς. Η παρουσίαση των γενικευμένων αυτομάτων και των εργαλείων που αναπτύχθηκαν ολοκληρώνεται μέσω παραδειγμάτων χρήσης. Οι παρουσιαζόμενες εφαρμογές αποτελούν είτε θεωρητικά συστήματα για επεξήγηση, είτε πραγματικές εφαρμογές υλοποιημένες ως εργαστηριακές διατάξεις ή ως πραγματικά συστήματα παραγωγής. / In this work Global Automata are introduced as a new method offering the convenience of modelling various types of industrial systems without any restrictions on systems properties. Their structure has common characteristics with several types of automata, such as the control graph with a finite set of states and transitions between those states. Global automata can be used for modelling hybrid systems handling both discrete and real valued variables combining flow, invariant and guard conditions from hybrid automata, with clock constraints and delayed inputs from timed and PLC automata. In addition, new modelling parameters as reset table at each transition and hierarchical classification of executable events at each state are introduced. Application independence derives from the fact that they are a super-set of every other type of automata and hence are less application depended compared to any of them. Based on Global Automata some tools were developed in order to increase their modelling power. First tool is the ability of state aggregation which generally means the merging of two or more states in order to produce a new super-state. State aggregation is a powerful tool to avoid state space expansion. The second developed tool is automata composition and is mainly used in cases where ad-hoc modelling is not a practical solution, since it allows the construction of large system model using simple models of all system’s components. Finally, global automata allow the development of hierarchical models, consisting of two or more automata. In such case, the automaton of the higher level has the role of supervisor feeding the automata of lower level with data, reference values etc. Two implementation tools for programming industrial controllers are also presented. The first tool is a synthesis tool for translating a global automaton into executable code of a programming language (i.e. C, Matlab). Tool usage is important for simulation and verification but is not limited on this. Contemporary industrial systems are equipped with Supervisory Control and Data Acquisition Systems (SCADA), which have embedded functions of running code. Consequently, an industrial system modelled as a global automaton can be controlled by the executable code running in a SCADA station. But, in industry the dominant controller is the Programmable Logic Controller, which is a special aim computer suitably built for the application control tasks. The IEC 61131-3 Programming Norm describes all the well-known languages for programming PLCs and the second tool is a synthesis tool for implementing global automata in PLCs based on this programming norm. Global automata as a modelling method and all the above mentioned tools are illustrated through representative examples. The presented examples are either theoretical or real systems implemented in the laboratory or even real production systems.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως κύριο αντικείμενο μελέτης την μοντελοποίηση και έλεγχο ενός μικρορομποτικού βραχίονα αναλυόμενου σε σφαιρικά πεπερασμένα στοιχεία σε περιβάλλον με εξωτερικές δυνάμεις Van Der Waals και συνυπολογίζοντας την τριβή. Τα κύρια σημεία είναι η εισαγωγή των εξωτερικών δυνάμεων στο μοντέλο του μικρορομπότ, η δημιουργία προσαρμοστικού ελέγχου για την επίτευξη ακολουθίας τροχιάς με αναγνώριση και ακύρωση των ισχυρών μεταβαλλόμενων εξωτερικών δυνάμεων, η αναγνώριση της θέσης και η αποφυγή εμποδίων σε άγνωστο περιβάλλον κλίμακας μικρομέτρων και ο καθορισμός τροχιάς για προσέγγιση σημείων στον χώρο εργασίας του μικρορομπότ. Προτείνεται επίσης ένα σύστημα επενέργησης σε διάταξη τένοντα με νανοκαλώδια και γίνεται μελέτη της αντοχής του σε σχέση με τις μέγιστες δυνάμεις-ροπές που παρουσιάζονται κατά τον έλεγχο. Για την αναγνώριση των εξωτερικών δυνάμεων δοκιμάζονται διαφορετικά είδη εκτιμητών και εξετάζεται η απόδοσή τους στο συνολικό σύστημα. / The present PhD thesis has a key object the modeling and control of a micro robotic manipulator, represented by spherical particles in an environment with external Van Der Waals forces and taking friction into account. The main points are a) the insertion of the external forces in the micro robot model, b) the adaptive control used in order to follow a desired trajectory, with identification and cancellation of the external forces, the position identification and avoidance of obstacles in an unstructured micrometer scale environment and the trajectory planning towards a target point in the task space of the microrobot. Also a tendon like actuation system is proposed, using nanowires and its mechanical properties are studied in order to determine the viability of its use in relation to the required torques during the control process. For the external force identification scheme, various types of estimators are proposed and their efficiency in the system is studied.

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.

Οι ηλεκτροµηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδοµένων πολύ µικρής κλίµακας που βασίζονται στη χρήση ανιχνευτών (probes) αποτελούν ανερχόµενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων και της απαιτούµενης ισχύος σε σχέση µε τις συµβατικές αποθηκευτικές συσκευές. Μία υλοποίηση µιας τέτοιας συσκευής χρησιµοποιεί θερµοµηχανικές µεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές µεµβράνες πολυµερών υλικών. Σε αυτή την περίπτωση, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται µε τη µορφή κοιλωµάτων πάνω στο πολυµερές υλικό, οι οποίες δηµιουργούνται από τις άκρες των ανιχνευτών διαµέτρου µερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθµού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιµοποιούνται διατάξεις από ανιχνευτές που λειτουργούν παράλληλα, µε κάθε ανιχνευτή να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης/διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Βασικές απαιτήσεις κατά τη λειτουργία τέτοιων συσκευών αποτελούν η εξαιρετικά µεγάλη ακρίβεια και η µικρή καθυστέρηση κατά τη µετακίνηση των ανιχνευτών πάνω από το πολυµερές υλικό. Η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείµενο τη µελέτη των διατάξεων κίνησης και τη σχεδίαση πρωτότυπων αρχιτεκτονικών ελέγχου, που οδηγούν στη βελτίωση της απόδοσης των απαιτούµενων, σε συσκευές τέτοιου τύπου, λειτουργιών ελέγχου. Η µετατόπιση του αποθηκευτικού µέσου σε σχέση µε τη διάταξη των ανιχνευτών επιτυγχάνεται µε τη χρησιµοποίηση µικρής κλίµακας scanners, που έχουν δυνατότητες κίνησης σε δύο κατευθύνσεις (x/y). Πληροφορία για τη θέση του microscanner στις δύο κατευθύνσεις παρέχεται από θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης θέσης που κατασκευάζονται µαζί µε τη διάταξη µε τους ανιχνευτές και τοποθετούνται πάνω από το κινητό πλαίσιο. Η πλήρης κατανόηση της συµπεριφοράς των διατάξεων αυτών αποτελεί απαραίτητο στοιχείο για τον αποτελεσµατικό σχεδιασµό και την ανάλυση των συστηµάτων ελέγχου. Στα πλαίσια της διατριβής δηµιουργήθηκε ένα πλήρες µοντέλο της διάταξης του microscanner και των θερµικών αισθητήρων ανίχνευσης θέσης. Σύγκριση της απόκρισης του µοντέλου µε τις πειραµατικές µετρήσεις καταδεικνύει ότι το µοντέλο προσεγγίζει µε εξαιρετική ακρίβεια την απόκριση του συστήµατος. Το σύστηµα ελέγχου περιλαµβάνει, στην αρχή, τη λειτουργία αναζήτησης/ αποκατάστασης, κατά την οποία το σύστηµα εντοπίζει τη θέση όπου απαιτείται να πραγµατοποιηθεί εγγραφή ή ανάγνωση πληροφορίας µε εκκίνηση µία αυθαίρετη θέση του κινητού πλαισίου. Απαίτηση του συστήµατος κατά τη λειτουργία αυτή είναι η ελαχιστοποίηση του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων. Η γρήγορη πρόσβαση στα δεδοµένα αποτελεί µια σηµαντική πρόκληση στις συµβατικές αποθηκευτικές συσκευές. Με το πλεονέκτηµα των ελαφρύτερων µηχανικών µερών, οι υπό µελέτη συσκευές αποθήκευσης βασισµένες στην τεχνολογία MEMS θεωρούνται βασικές υποψήφιες για τη βελτίωση του χρόνου πρόσβασης των δεδοµένων. Οι σχετικές προοπτικές των συσκευών αυτών διερευνώνται αναλυτικά στα πλαίσια της διατριβής. Συγκεκριµένα, αρχικά µελετάται η απόδοση διαφόρων συστηµάτων µε βάση τη θεωρία ελέγχου βέλτιστου χρόνου. Τα αποτελέσµατα της µελέτης δίνουν το θεωρητικά βέλτιστο χρόνο πρόσβασης και την εξάρτησή του από τις παραµέτρους του κάθε συστήµατος. Στη συνέχεια, περιγράφεται η αρχιτεκτονική ελέγχου για τη λειτουργία αναζήτησης και παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα που αντλήθηκαν από το περιβάλλον προσοµοίωσης και από την πειραµατική διάταξη. Τα αποτελέσµατα καταδεικνύουν ότι οι χρόνοι πρόσβασης των δεδοµένων που είναι δυνατό να επιτευχθούν µε τις συσκευές αυτές, είναι σηµαντικά µικρότεροι σε σχέση µε τις συµβατικές. Στη συνέχεια, ακολουθεί η λειτουργία παρακολούθησης, όπου η θέση των ανιχνευτών πρέπει να παραµένει στο κέντρο του επιθυµητού καναλιού, κατά τη διάρκεια εγγραφής/ανάγνωσης των δεδοµένων. Η απαίτηση για µεγάλη ακρίβεια στη µετακίνηση πάνω από τη νοητή γραµµή του κέντρου του καναλιού, της µίας ή περισσότερων κεφαλών που χρησιµοποιούνται κατά την εγγραφή/ανάγνωση, είναι σηµαντική για όλους τους τύπους αποθηκευτικών συσκευών. Οι απαιτήσεις για ακρίβεια γίνονται ακόµα πιο µεγάλες και κρίσιµες, στην περίπτωση των υπό µελέτη αποθηκευτικών συσκευών, όπου η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται σε µία περιοχή µε µέγεθος µερικών nm. Το σύστηµα ελέγχου, κατά τη λειτουργία αυτή, οφείλει να παρακολουθεί το επιθυµητό σήµα αναφοράς, και ταυτόχρονα να έχει ικανοποιητική απόρριψη των διαταραχών και να επιτυγχάνει την απαιτούµενη ακρίβεια ως προς τον προσδιορισµό της θέσης. Παράλληλα, σηµαντικό παράγοντα βελτιστοποίησης αυτής της λειτουργίας, αποτελεί ο ρυθµός εγγραφής/ανάγνωσης των δεδοµένων. Η πρώτη προσέγγιση για την αρχιτεκτονική ελέγχου, κατά τη λειτουργία αυτή, βασίζεται στην παρεχόµενη από τους θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης, πληροφορία της θέσης του microscanner. Η αρχιτεκτονική βασίζεται στον αλγόριθµο του γραµµικού τετραγωνικού ρυθµιστή (LQG) και η αξιολόγησή της γίνεται µε κριτήρια την ικανότητα παρακολούθησης της εισόδου, την απόρριψη των διαταραχών και την ακρίβεια ως προς τον προσδιορισµό της θέσης. Τα αποτελέσµατα που εξήχθησαν, κατά την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ελέγχου στην πειραµατική διάταξη, αναδεικνύουν ότι η αρχιτεκτονική πληρεί τις απαιτήσεις και η ακρίβεια µερικών nm που επιτυγχάνεται στον προσδιορισµό της θέσης επιτρέπει την αξιόπιστη εγγραφή και κατόπιν ανάγνωση δεδοµένων από την αποθηκευτική συσκευή. Μειονέκτηµα της παραπάνω προσέγγισης αποτελεί ο χαµηλής συχνότητας θόρυβος των θερµικών αισθητήρων, που επηρεάζει τη σωστή λειτουργία του κλειστού συστήµατος σε µεγάλες περιόδους λειτουργίας της συσκευής. Το πρόβληµα αυτό επιλύεται µε µία πρωτότυπη προσέγγιση που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής και βασίζεται στην πληροφορία, την προερχόµενη από τους θερµικούς αισθητήρες ανίχνευσης θέσης, σε συνδυασµό µε το προερχόµενο από το αποθηκευτικό µέσο σήµα σφάλµατος θέσης. Ο σχεδιασµός του συστήµατος ελέγχου, στην περίπτωση αυτή, εκµεταλλεύεται την εκ των προτέρων γνώση των χαρακτηριστικών θορύβου ως προς τη συχνότητα των δύο αισθητήρων ανίχνευσης θέσης, έτσι ώστε το σύστηµα ελέγχου που προκύπτει να χρησιµοποιεί την πιο αξιόπιστη µέτρηση σε κάθε περιοχή συχνοτήτων. Το πλαίσιο του σθεναρού ελέγχου, H∞, χρησιµοποιείται κατά το σχεδιασµό αυτής της αρχιτεκτονικής ελέγχου, µε διαχωρισµό ως προς τη συχνότητα. Με χρήση αυτής της µεθόδου, το σύστηµα ελέγχου δεν επηρεάζεται από τον χαµηλής συχνότητας θόρυβο των θερµικών αισθητήρων. Τα αποτελέσµατα που εξήχθησαν κατά την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ελέγχου στην πειραµατική διάταξη επιβεβαιώνουν τα παραπάνω. Η µέθοδος αυτή είναι πιο γενική και µπορεί να εφαρµοστεί σε κάθε πρόβληµα ελέγχου, που έχει δύο ή και περισσότερους αισθητήρες µε διαφορετικά χαρακτηριστικά απόδοσης σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/write/erase operations over an individual storage field. One of the primary challenges in building such devices is the extreme accuracy and the short latency required in the navigation of the probes over the polymer medium. This dissertation describes the design of novel control architectures and the characterization of their performance. The associated modelling effort, theoretical analysis, simulation work and experimental results are presented. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using silicon-based micro-scanners with x/y-displacement capabilities. The x/y positional information can be provided by thermal position sensors that are fabricated on the cantilever-array chip and positioned directly above the scan table. A thorough understanding of the dynamics of these parts of the device is essential for effective design and analysis of the control architectures. In this dissertation a complete model of the micro-scanner and the thermal position sensors was developed. Comparison of the model response with the experimental data have shown that the model approximates the system response with an excellent accuracy. In general, the servo system in such a storage device has two functions. First, it locates the target track to which information is to be written or read back from, starting from an arbitrary initial position of the scan table carrying the storage medium. This is achieved by the so-called seek-and-settle procedure. The data access time depends on the duration of this operation, and therefore the minimization of its duration constitutes an important optimization factor. The speed of data access is a significant bottleneck in today’s computing systems. With the advantage of the lighter moving stage MEMS-based storage devices are widely touted to improve access times. In this dissertation these perspectives are examined in detail. Initially the time-optimal control theory has been studied for different system models and their performance has been examined regarding the optimal access time. The results of this study have provided the theoretically optimal access time for each model and its dependence on the system parameters. The control architecture for the seek operation has been designed. The simulation and experimental results show that the possible access times that can be achieved are significantly smaller than the conventional storage devices. The second function of the control system is to maintain the position of the read/write probes on the centre of the target track as they are being scanned along the length of this track during the normal read/write operation. This is achieved by the so-called track-follow procedure. Precise positioning and navigation of the read/write head(s) on the track centerlines is of paramount importance in all types of storage devices. The requirements become more crucial in the devices under study, where in order to achieve reliable storage and retrieval of data, accuracy in the order of a few nanometers in the scanner motion is needed. Therefore, the tracking of the reference signal, the disturbance rejection capabilities and the positioning resolution are considered as performance measures for the control system in this operation. Similarly, the read/write data rate constitutes an important optimization factor for this operation. The first approach of the control architecture for the track-follow procedure uses the position information from the thermal sensors. The control of the position in the x/y directions is realized using two independent feedback loops and each controller is based on the linear quadratic Gaussian regulator (LQG). For the evaluation of the proposed control architecture a detailed analysis has been performed in terms of the tracking performance, the disturbance rejection and the positioning resolution. The proposed architecture has been implemented in the experimental set-up and the analytical results are in agreement with those obtained experimentally. The experimental results show that the accuracy in the motion of the micro-scanner obtained with the proposed control architecture allows reliable storage and retrieval of data in the storage device. The disadvantage of the above control scheme originates from the low frequency noise of the thermal sensors that affects the closed loop performance for long term operation of the device. A novel control architecture was developed that addresses this problem by using medium-derived position information along with the thermal positioning sensor. The objective of this method is, using the a priori knowledge of the noise characteristics of the two sensors, to create a control structure that utilizes the best measurement in different frequency regions. The framework of the H∞ robust control was used for the design of this new frequency separated control architecture. Using this method the control system is not affected from the low frequency noise of the thermal sensors. The experimental results validate the performance of the proposed method. The developed methodology is more general and can be applied to any control problem that has two or more sensors with different performance characteristics in different frequency regions.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη μοντελοποίηση ενός αιολικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένο σε σύγχρονη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη (PMSG). Ειδικότερα, παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα τμήματα που αποτελούν το αιολικό σύστημα καθώς και οι λογικές ελέγχου που ακολουθήθηκαν για την αποτελεσματική λειτουργία του. Επιπλέον, μελετάται και μοντελοποιείται μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας από την οποία πλαισιώνεται το αιολικό σύστημα κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Τέλος, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της λειτουργίας του συστήματος, σε σύνδεση με το δίκτυο και κατά την αυτόνομη λειτουργία του. Για την ανάπτυξη του μοντέλου και την προσομοίωση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Simulink/Matlab. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα και μια γενική εισαγωγή στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Επιπλέον, δίνονται διάφορες πληροφορίες γύρω από την αιολική ενέργεια και αναλύονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της χρήσης ανεμογεννητριών. Επίσης, παρουσιάζεται η δομή μιας ανεμογεννήτριας και παραθέτονται διάφοροι τύποι ανεμογεννητριών, ενώ δίνονται και οι βασικές σχέσεις μετατροπής της αιολικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στο Κεφάλαιο 2 γίνεται ανάλυση κάθε τμήματος της ανεμογεννήτριας (πτερωτή, σύστημα μετάδοσης κίνησης, γεννήτρια) και παρατίθενται οι εξισώσεις που περιγράφουν τη λειτουργία τους. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης του κάθε τμήματος στο περιβάλλον του Simulink. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της σύγχρονης γεννήτριας μόνιμου μαγνήτη καθώς παρουσιάζεται με λεπτομέρεια η δομή της καθώς και οι αρχές που διέπουν τη λειτουργία της. Τέλος, δίνονται όλα τα χαρακτηριστικά μεγέθη της ανεμογεννήτρια που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία. Στο Κεφάλαιο 3 αρχικά, γίνεται μια γενική παρουσίαση των στοιχείων που αποτελούν τους μετατροπείς, ενώ στη συνέχεια παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες μετατροπέων που υπάρχουν και αναφέρονται μερικοί βασικοί τύποι μετατροπέων που βρίσκουν εφαρμογή σε αιολικά συστήματα γενικότερα. Έπειτα, το κεφάλαιο επικεντρώνεται στους μετατροπείς που χρησιμοποιήθηκαν στο αιολικό σύστημα της παρούσας εργασίας καθώς εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας τους και παρουσιάζεται ο τρόπος μοντελοποίησης τους στο Simulink. Έμφαση δόθηκε στον dc/dc μετατροπέα ανύψωσης τάσης που χρησιμοποιήθηκε, όπου γίνεται διαστασιολόγηση και παρουσιάζεται μια μικρή προσομοίωση της λειτουργίας του. Τέλος, παρουσιάζεται, επίσης, το φίλτρο που τοποθετείται στην έξοδο του αντιστροφέα. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφονται αναλυτικά η τεχνική διαμόρφωσης εύρους παλμών (PWM) και η τεχνική της ημιτονοειδούς διαμόρφωσης εύρους παλμών (SPWM), οι οποίες και εφαρμόστηκαν για την παλμοδότηση των μετατροπέων. Στη συνέχεια, περιγράφονται αναλυτικά οι μηχανισμοί ελέγχου που εφαρμόστηκαν με τη βοήθεια PI ελεγκτών, τόσο στην πλευρά της μηχανής (dc/dc μετατροπέας ανύψωσης τάσης) όσο και στον αντιστροφέα του αιολικού συστήματος. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αιολικού συστήματος σε σύνδεση με το δίκτυο. Το σύστημα προσομοιώνεται για δύο περιπτώσεις, σε πρώτη φάση γίνεται προσομοίωση του συστήματος υπό σταθερή ταχύτητα ανέμου ίση με 12 m/s και σε δεύτερη φάση προσομοιώνεται η λειτουργία του συστήματος για βηματικές μεταβολές της ταχύτητας του ανέμου. Στο Κεφάλαιο 6 μελετάται η αυτόνομη λειτουργία του αιολικού συστήματος το οποίο, πλέον, πλαισιώνεται με μια διάταξη αποθήκευσης ενέργειας. Αρχικά, παρουσιάζεται το σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που χρησιμοποιήθηκε. Συγκεκριμένα η συστοιχία μπαταριών της οποίας δίνονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη, καθώς και το μοντέλο της στο Simulink. Επίσης, παρουσιάζεται και μοντελοποιείται ο dc/dc μετατροπέας δύο κατευθύνσεων ο οποίος συνδέει τη συστοιχία με το υπόλοιπο σύστημα. Στη συνέχεια, περιγράφεται αναλυτικά ο μηχανισμός ελέγχου που εφαρμόζεται στη διάταξη αποθήκευσης ενέργειας για τον έλεγχο της φόρτισης/εκφόρτισης. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του αυτόνομου αιολικού συστήματος για σταθερή ταχύτητα ανέμου-μεταβαλλόμενο φορτίο και για μεταβαλλόμενο άνεμο-σταθερό φορτίο. / In this thesis, a wind energy conversion system (WECS) based on a permanent magnet synchronous generator (PMSG) was studied and simulated. All parts of the WECS are presented and discussed in detail. Furthermore, control strategies for the generator-side converter and the voltage source inverter are developed. The WECS is simulated both in grid connected and stand-alone mode. In the stand-alone mode, the WECS is supplied with an energy storage system for which a bi-directional buck/boost converter and control strategy was designed. Finally, simulation results are presented and performance of the system in various modes of operation is evaluated. Simulink/Matlab is used for modeling and simulating the WECS. At the beginning of Chapter 1, a discussion of energy crisis and renewable energy sources is held. Furthermore, information about wind energy has been reviewed and its benefits and drawbacks are examined. In addition, the structure of a wind turbine and the principles of converting wind energy into electricity are presented. In Chapter 2 all parts of the wind turbine are studied and its characteristics are specified. Even more, the model of every part in Simulink is presented. Theoretical background, structure and operation principles of PMSG are presented in detail. In Chapter 3, firstly a general presentation of converters components takes place. Then the major existing categories of converter are presented and some basic types of converters, which are generally used in WECS, are mentioned. Moreover, the chapter focuses on the converters that are used in this thesis, explaining the way they operate. After all, their models in Simulink are shown. Emphasis was given to the dc/dc boost converter whose parameters are calculated and its operation is simulated. Finally, there is a presentation of the filter which was placed at the output of the inverter. In Chapter 4, Pulse-width Modulation (PWM) and Sinusoidal Pulse-width Modulation (SPWM) techniques that are used in this thesis are described. Moreover, the control strategy for the generator-side converter with maximum power extraction is presented. The control strategy of the voltage sourced inverter is shown as well. In Chapter 5 simulation results of the grid connected WECS are presented and evaluated. On the first part of the presentation, the WECS is simulated for constant wind speed (12m/s), and in the second part for step-changed wind speed. In Chapter 6 the stand-alone operation of the WECS is studied and supplied with an energy storage system. Initially, there is an analysis of the energy storage system, which was used, and in particular the battery bank, whose characteristics are given. Moreover, a Bi-directional dc/dc Buck-Boost converter which is used to interconnect the battery bank to the dc-link is presented and modeled. Afterwards, there is a detailed description of the control strategy used in order to control charging / discharging of the battery bank. At the end of this chapter, simulation results of two different stand-alone operation modes are presented, one with constant wind speed and variable load and the other one with step-changing wind speed and constant load.