Η εξοικονόμηση ενέργειας σε ένα κτίριο μέσω της αποτελεσματικής χρήσης του κτιριακού αυτοματισμού και των ενεργειακών βελτιώσεων που πρέπει να γίνουν σε αυτό είναι δυο τομείς που συγκεντρώνουν μεγάλο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Ειδικά αν η προσπάθεια αυτή συνδυαστεί με τη χρήση μεθόδων της Ασαφούς Λογικής και των Ασαφών Γνωστικών Δικτύων (ΑΓΔ) τότε αναμένουμε πολλά και αξιόλογα αποτελέσματα τα οποία υπόσχονται μια ραγδαία βελτίωση του τρόπου ζωής μας. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να χρησιμοποιούν προηγμένες θεωρίες ελέγχου για να διαμορφωθεί τη συνολική ενεργειακή συμπεριφορά ενός κτιρίου για οικιστική ή εμπορική χρήση. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι η χρήση ασαφούς λογικής και ο έξυπνος έλεγχος για να διαμορφωθούν τέτοια έξυπνα κτίρια. Για το σκοπό αυτό κατασκευάζονται ένα σύστημα Ασαφούς Λογικής και ένα Ασαφές Γνωστικό Δίκτυο και μελετώνται οι ενεργειακές απαιτήσεις ενός κτιρίου από το νότιο τμήμα της Ελλάδας. Το προτεινόμενο έξυπνο λογισμικό που διαμορφώνεται αποτελείται από δύο μέρη: Α) Το Ασαφές Σύστημα Συμπερασμού, το οποίο λαμβάνοντας υπόψη τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής (ηλιακή ακτινοβολία, θερμοκρασία κλπ) ελέγχει τον αυτοματισμό του κτιρίου (HVAC και φωτισμός), προκειμένου να επιτευχθεί πιο αποτελεσματική χρήση του. Β) Το Ασαφές Γνωστικό Δίκτυο (ΑΓΔ), το οποίο βάσει της χρήσης του κάθε στοιχείου του αυτοματισμού κτιρίου, ανιχνεύει αν το κτίριο χρειάζεται ενεργειακές βελτιώσεις και εάν ναι, προτείνει τις κατάλληλες λύσεις με βάση την κατανάλωση ενέργειας. Οι μελέτες προσομοίωσης διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας και τις δύο μεθόδους. Τα ληφθέντα αποτελέσματα έδειξαν ότι και οι δύο μέθοδοι μπορούν να συνεισφέρουν θετικά στη βελτίωση του αυτοματισμού κτιρίων, καθώς και στη συνολική ενεργειακή συμπεριφορά του κτιρίου. / Reducing the energy consumption of a building through the effective use of its automation and the necessary energy improvements that can be made, are two scientific areas that gathered a lot of interest in recent years, especially, if this effort is combined with the use of advanced system and control theories such as fuzzy logic, intelligent control and Fuzzy Cognitive Maps (FCM). The purpose of this diploma thesis is to use advanced control theories to model the total energy behavior of an autonomous building for residential or commercial use. The proposed method is using fuzzy logic and intelligent control to model such intelligent buildings. A Fuzzy Logic and a Fuzzy Cognitive Map are constructed. The energy requirements for a building from the southern part of Greece are determined using the Design Builder software. The proposed intelligent software tool is composed of two parts: A)The Fuzzy Inference System (FIS) which taking into account the weather data of the area (sun radiation, temperature etc.) controls the building automation (HVAC and lighting) in order to achieve its most effective use. Β)The Fuzzy Cognitive Map (FCM) which based on the use of each element of the building automation, detects whether the building needs energy improvements and if so, proposes appropriate solutions based on its energy consumption. Simulation studies were conducted using both methods. The obtained results have shown that both methods can contribute positively to the improvement of the building automation as well to the overall energy behavior of the building.

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τον ευφυή έλεγχο μιας μηχανής Stirling χαμηλής θερμοκρασιακής διαφοράς, με στόχο την πρακτική εφαρμογή σε οικιακούς καταναλωτές για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Έγινε διασύνδεση μιας σειρά αισθητήρων (μέτρηση θερμοκρασίας) και επενεργητών (αντλίες) σε ένα πρωτότυπο σύστημα, έτσι ώστε να προσομοιωθεί κατά το καλύτερο δυνατό τρόπο η λειτουργία της αύξησης της θερμοκρασίας του υγρού σε ένα ηλιακό θερμοσίφωνα και της τυπικής οικιακής ημερήσιας κατανάλωσης. Με βάση αυτό το πρότυπο παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας διαμορφώθηκε ένας ευριστικός έλεγχος έτσι ώστε να παραχθεί η περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια χωρίς να παραβιασθούν μία σειρά από περιορισμούς που αφορούν στην χρήση του ηλιακού θερμοσίφωνα. Πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την αποτελεσματικότητα της μηχανής Stirling και την ανάγκη προσαρμοστικοτητας της λειτουργίας της έτσι ώστε να ανταποκρίνεται στις ιδιάζουσες ανάγκες της κάθε οικογένειας. / This thesis is on the intelligent control of a Stirling engine with a low temperature difference in order to practice residential consumers for electricity production. An interface of a series of sensors (temperature measurement) and actuators (pumps) became in a prototype system in order to simulate as best as possible the function of warming the liquid in a solar water heater and the standard daily household consumption. Under this model of production and consumption was a Heuristic control order to generate more electricity without having violated a number of restrictions on the use of solar water heater. Experimental results confirm the effectiveness of the Stirling engine and the need for adaptability of its operation to meet the specific needs of each family.

Οι φωτοβολταϊκές γεννήτριες παρουσιάζουν μια μη γραμμική χαρακτηριστική V-I και ένα σημείο λειτουργίας μέγιστης ισχύος (MPP) τα οποία ποικίλλουν ανάλογα με την ακτινοβολία και τη θερμοκρασία. Αυτή η εργασία παρουσιάζει έναν MPP-tracker βασισμένο στην ασαφή λογική και ένα σχέδιο ενός μονοφασικού inverter συνδεδεμένου στο ηλεκτρικό δίκτυο. Ο ασαφής ελεγκτής (FLC) παρέχει προσαρμοστικότητα στη επίδοση του συστήματος. Λαμβάνει υπόψη του το τρέχον φορτίο, τη θερμοκρασία, την ακτινοβολία, τον άνεμο καθώς και τις πιθανές σκιάσεις που καλύπτουν τα πλαίσια. Παρέχει επίσης άριστα χαρακτηριστικά όπως γρήγορη απόκριση, καλή επίδοση και την δυνατότητα να αλλάζουν οι παράμετροί του προκειμένου να βελτιώνεται ο έλεγχος του συστήματος. Το γεγονός ότι λαμβάνει υπόψη του τις εξωτερικές συνθήκες εξασφαλίζει καλύτερη γνώση της πραγματικής επίδοσης του φωτοβολταϊκού συστήματος και όχι της βέλτιστης επίδοσης που αυτό έχει στις πρότυπες συνθήκες (STC). Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης επιβεβαίωσαν την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος. / The photovoltaic generators show a non-linear characteristic VI and one maximum power point (MPP) which vary depending on insolation and temperature. This project presents a MPP tracker, based on fuzzy logic, and a plan of an one-phased grid connected inverter. Fuzzy logic controller provides adaptivity at the system’s performance. It takes into consideration current load, temperature, insolation, wind and possible shades covering the panels. It also provides excellent characteristics such as quick response, great performance and the capacity of changing the system parameters in order to improve the system control. The fact that it takes into consideration the external conditions (in vivo as opposed to in vitro-laboratorial conditions) ensures better knowledge of the actual performance of the photovoltaic systems and not the optimum performance the system can score in standard test conditions (STC). The results of this simulation have confirmed the effectiveness of the proposed system.

Η βιομηχανία παραγωγής ρούχων, ακόμα και σήμερα, αποτελεί ένα βιομηχανικό κλάδο όπου η αυτοματοποίηση είναι εν μέρει σχεδόν ανύπαρκτη και εν γένει σε εμβρυικό στάδιο. Ένα μεγάλο τμήμα της γραμμής παραγωγής αποτελεί το τμήμα κατά το οποίο κομμάτια υφάσματος ράβονται σε μία ραπτομηχανή. Το στάδιο της ραφής, παρόλο που είναι το μεγαλύτερο σε χρονική διάρκεια και το σημαντικότερο στην τελική ποιότητα, παραμένει σχεδόν εξολοκλήρου μία χειρονακτική εργασία. Οι ιδιαιτερότητες των υφασμάτων όπως: η πολύ μικρή αντίστασή τους σε κάμψη, οι μεγάλες παραμορφώσεις τους, η απρόβλεπτη στατική/δυναμική συμπεριφορά τους, η ανισότροπη και μη-γραμμική φύση τους και η ανομοιογένειά τους είναι οι κύριοι παράγοντες των έντονων δυσκολιών κατά τον χειρισμό τους. Η ρομποτική ραφή είναι ένα σχετικά νέο ερευνητικό πεδίο αλλά και εξαιρετικά πολύπλοκο πρόβλημα, όπου ελάχιστοι ερευνητές έχουν προσπαθήσει να προσεγγίσουν. Αυτή τη στιγμή, από όσο είναι δυνατόν να είναι γνωστόν, μόνο τρία ερευνητικά κέντρα ασχολούνται, σε διεθνή επίπεδο, ενώ το ένα από αυτά είναι η Ομάδα Ρομποτικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ευέλικτου συστήματος το οποίο ενσωματώνει όλα εκείνα τα ευφυή χαρακτηριστικά ώστε να συμβάλει στη ρομποτική αυτοματοποίηση της ραφής υφασμάτων. Η επίτευξη αυτού του στόχου στηρίζεται σε μεθόδους υπολογιστικής νοημοσύνης, σε τακτικές εμπνευσμένες από τον τρόπο εργασίας του ίδιου του ανθρώπου και στην ποιοτική διαχείριση της γνώσης/δεδομένων που εμπεριέχουν ασάφεια. Ταυτόχρονα, επιτυγχάνεται ο έλεγχος της ραφής χωρίς τη χρήση αναλυτικών μοντέλων τόσο των υφασμάτων όσο και της διαδικασίας. Ο συντονισμός όλων των προηγουμένων επιτυγχάνεται από ένα ευέλικτο ευφυές ιεραρχικό σύστημα ελέγχου της διαδικασίας της ραφής. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε ένα σύνολο νέων μεθόδων για την αυτοματοποιημένη ραφή υφασμάτων με ένα βιομηχανικό ρομπότ εφοδιασμένο με έναν αισθητήρα δύναμης και μία κλασσικού τύπου ραπτομηχανή. Η πρωτότυπη προσέγγιση που αποτελεί το πλαίσιο της διατριβής αποτελείται από ένα ιεραρχικό σύστημα εκτιμήσεων, αποφάσεων και ελέγχου της διαδικασίας ραφής. Γίνεται μία συστηματική μελέτη, καταγραφή και αξιολόγηση όλων των χειρισμών του υφάσματος, πριν και κατά τη διάρκεια της ραφής, ως προς τις απαιτήσεις τους σε συστήματα αισθητήρων αλλά και στρατηγικών ελέγχου. Αναπτύσσεται μία πρωτότυπη βάση δεδομένων και ένα έμπειρο σύστημα που ενσωματώνουν όλη αυτή την προγενέστερη γνώση και εμπειρία. Παρουσιάζεται η ιδέα της εφαρμογής μεθόδων υπολογιστικής νοημοσύνης στο επιστημονικό πεδίο της ραφής υφασμάτων και εφαρμογής μεθόδων ευφυούς ελέγχου, για την τάνυση των υφασμάτων, βασισμένες σε νευρωνικά δίκτυα οι οποίες, για πρώτη φορά, χρησιμοποιούν ποιοτικές εκτιμήσεις των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών των υφασμάτων. Έτσι, εισάγεται η έννοια των λεκτικών μεταβλητών για την ποιοτική περιγραφή των ιδιοτήτων των υφασμάτων. Στο πλαίσιο αυτό, εκφράζεται για πρώτη φορά, ποιοτικά σαν ποσοστό, η έννοια της “εκτατότητας” (extensibility) των υφασμάτων, που είναι μία βασική και καθοριστική ιδιότητά τους κατά την εργασία της ραφής τους. Επίσης περιγράφεται η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου αυτοματοποιημένου πειραματικού προσδιορισμού της “εκτατότητας” των υφασμάτων. Η πρωτότυπη αυτή προσέγγιση εφαρμόστηκε σε μονά και διπλά υφάσματα ενώ τα πειράματα εφελκυσμού ενσωματώθηκαν “έξυπνα” στην ίδια τη ραπτομηχανή και λίγο πριν τη διαδικασία της ραφής. Παρουσιάζεται ένα ασαφές σύστημα εξαγωγής της επιθυμητής τάνυσης, κατά τη ραφή του κάθε υφάσματος, το οποίο βασίζεται στην ποιοτική εκτίμηση της “εκτατότητας” του υφάσματος και διαμορφώθηκε από την εμπειρία του έμπειρου χειριστή και την ασαφή συνεπαγωγή που κάνει αυτός ανάμεσα στην “εκτατότητα” και την επιθυμητή τάνυση. Αναπτύχθηκε μία νέα μέθοδος ελέγχου της τάνυσης του υφάσματος κατά τη ραφή του. Σε αυτή χρησιμοποιήθηκε ένας νευρωνικός ελεγκτής ευθείας τροφοδότησης για τον έλεγχο του ρομποτικού άκρου εργασίας με σκοπό τη διατήρηση της τάνυσης του υφάσματος σύμφωνα με την εκάστοτε επιθυμητή. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται η επέκταση της προτεινόμενης προσέγγισης, του νευρωνικού ελέγχου της τάνυσης, η οποία έδειξε τη δυνατότητα γενίκευσής της και σε άλλες παραπλήσιες εργασίες. Επίσης, καταγράφονται τα νέα ερευνητικά πεδία που ανοίγουν στο χώρο της συνεργασίας ανθρώπου-ρομπότ για τον χειρισμό υπερ-εύκαμπτων και εύκαμπτων αντικειμένων. Τελικά, παρουσιάζεται μία συστηματική εργαστηριακή εκτέλεση ραφών, σε μία μεγάλη ποικιλία τόσο μονών όσο και διπλών υφασμάτων, με ρομπότ ενώ συγκρίθηκαν αυτές με ραφές από έμπειρους. Μέσα από τις πειραματικές ραφές αναδεικνύεται, η αναζητούμενη ευελιξία του συστήματος και η ικανοποιητική απόκρισή του σε μία μεγάλη ποικιλομορφία υφασμάτων. / The clothing industry, even today, is an industry where automation is partly almost nonexistent and generally in their infancy stages. A large part of the production line is the part in which pieces of fabrics are sewn using a sewing machine. The sewing process, while being the largest in duration and the most important to the final quality of the cloths, remains almost entirely one handiwork. The specifics of fabrics like: their very little bending resistance, their large deformations, their unpredictable static / dynamic behavior, their anisotropic and non-linear nature and heterogeneity are the main factors of acute difficulties in their handling. The robotized sewing of fabrics is a relatively new research field but it is also an extremely complex problem, where few researchers have tried to investigate it. Right now, as far as can be known, only three research centers in international level are involved this field, while one of them is the Robotics Group of the University of Patras. The aim of this thesis is to develop a flexible system which incorporates all those intelligent features in order to help automate robotic sewing of fabrics. This objective is based on computational intelligence methods, in approaches inspired by the way a human works and finally in the qualitative management of the knowledge/data that involve uncertainties. Simultaneously, the sewing control is achieved without using analytical models of both the fabrics and process. The coordination, of all of the previous mentioned, is achieved by a flexible hierarchical intelligent control system of the sewing process. This thesis developed a set of new set of methods for automated sewing of fabrics using an industrial robot, equipped with a force sensor, and a conventional sewing machine. The novel approach, which composes the main framework of this thesis, consists of a hierarchical system of estimations, decisions and process control of the sewing task. It is a systematic study, of recording and evaluating all the fabric handling tasks before and during the sewing process, according to the necessary requirements in sensor systems and control strategies. An original database and an expert system incorporating all this prior knowledge and experience is developed. The idea of applying methods of computational intelligence to the scientific field of sewing fabrics is presented. Also, the application of intelligent control methods, for stretching the fabrics during the sewing, which is based on neural networks while using qualitative assessment of the properties and characteristics of fabrics, is presented. Therefore, the concept of using linguistic variables for the qualitative description of the properties of fabrics, is introduced. In this context, it is the first time where the concept of the "extensibility" of a fabric is expressed quantitatively as a percentage. This is an essential and determining property of a fabric that should be taken into account during the sewing process. Also, the development of a new method for the automated experimental determination of "extensibility" of fabrics is described. This original approach has been applied to single and double layers of fabrics, while the tensile experiments are ‘intelligently’ incorporated into the same sewing machine and just before the sewing process. A fuzzy system for determining the desired tension for each of the fabrics is presented. This system is based on a qualitative assessment of "extensibility" of each fabric and it is initialized by the experience of the experts and the fuzzy implication they make between "extensibility" and desired tension. A new method to control the tension of the fabric during the sewing is developed. A feedforward neural controller, to control the robotic gripper to maintain the tension of the fabric according to the respective desired, has been used. Additionally, an expansion of the proposed approach is presented, for the case of the neuro-control of the tension, which showed the controller’s ability of generalization to other similar tasks. Also, new research areas that have been opened in the field of human-robot cooperation for handling non-rigid and very flexible objects are stated. Finally, there is presented a systematic experimental robotic execution of seams in a wide variety of both single and double layers of fabrics, while the, produced by the robot, seams are compared with the seams produced by the experts. Through experimental phase and the results of the stitched fabrics it is highlighted the desired flexibility of the system and its satisfactory response in a wide variety of fabrics.