<p>This report treats two assignments that concerns the biofuel furnace at Billerud Skärblacka AB and how these assignments were solved. The assignments were: reducing the number of CO-spikes and tuning the overfire air control loop. To reduce the number of CO-spikes the possibility that skewness in mass distribution affects the number of CO-spikes were study. The skewnwss of mass distribution was controled and adjusted with two experiments. The conclusion that was made is that the skewness of mass distribution were not sufficient enough to affect the number of CO-spikes. Most likely because there are other factor that affects the number of CO-spikes more than the skewness of mass distribution.</p><p>The objective with tuning the overfire air control loop was to find a faster and better interplayed control loop. To solve the assignment the first thought was to make a model of the furnace. But this idea was too much work for a single master thesis. Therefore a Simulink-model and a control strategy were produced instead. During the work with tuning the overfire air control loop the changes were issued from the control strategy and the Simulink-model were used for the tuning of the air valves. The result from tuning the overfire air control loop were faster regulators and a better tracking of the reference value for the secondary and tertiary air valve along with a reduced levels of carbon monoxide.</p>

This report treats two assignments that concerns the biofuel furnace at Billerud Skärblacka AB and how these assignments were solved. The assignments were: reducing the number of CO-spikes and tuning the overfire air control loop. To reduce the number of CO-spikes the possibility that skewness in mass distribution affects the number of CO-spikes were study. The skewnwss of mass distribution was controled and adjusted with two experiments. The conclusion that was made is that the skewness of mass distribution were not sufficient enough to affect the number of CO-spikes. Most likely because there are other factor that affects the number of CO-spikes more than the skewness of mass distribution. The objective with tuning the overfire air control loop was to find a faster and better interplayed control loop. To solve the assignment the first thought was to make a model of the furnace. But this idea was too much work for a single master thesis. Therefore a Simulink-model and a control strategy were produced instead. During the work with tuning the overfire air control loop the changes were issued from the control strategy and the Simulink-model were used for the tuning of the air valves. The result from tuning the overfire air control loop were faster regulators and a better tracking of the reference value for the secondary and tertiary air valve along with a reduced levels of carbon monoxide.

På Himmerfjärdsverket söder om Stockholm finns åtta luftade bassänger för biologisk rening av avloppsvatten. Genom att syresätta vattnet skapas en miljö där mikroorganismer kan arbeta och omvandla organiskt material och ammonium till koldioxid, vatten och nitrat. Bara luftningen av dessa aktivslambassänger på Himmerfjärdsverket står för nästan en femtedel av verkets totala energiförbrukning och är därför en viktig process att optimera. Under hösten 2011 har några olika reglerstrategier utvärderats genom fullskaleförsök på verket. Denna rapport handlar om dessa försök. Arbetet bygger på ett tidigare utfört examensarbete vid Himmerfjärdsverket och ingår i en större forskningsstudie som leds av IVL Svenska Miljöinstitutet i samarbete med Uppsala Universitet. Syftet med studien är att utvärdera metoder för att optimera luftningen med avseende på reningsgrad och energiförbrukning. Målet med detta examensarbete har varit att implementera ammoniumåterkoppling och att jämföra denna reglerstrategi med en strategi som innebär att luftningen styrs på konstanta syrebörvärden, så kallad syreprofil. Grundtanken var att tre olika reglerstrategier skulle undersökas. Dels en där luftflödet styrs individuellt till sex olika zoner i luftningsbassängen med konstanta syrehalter. Dels två olika strategier där luftningen styrs med hjälp av ammoniumåterkoppling, som innebär att börvärdet för syrehalten hela tiden beräknas av ammoniumregulatorn utifrån värdet på utgående ammoniumkoncentration. På grund av olika begränsningar i anläggningen, såväl fysiska som reglertekniska, har endast två reglerstrategier utvärderats. Dels strategin med konstanta syrehalter och dels en snabb ammoniumåterkoppling där syretillförseln styrs efter den momentana utgående ammoniumhalten. Tanken var att även utvärdera en långsam ammoniumåterkoppling, som reglerar efter ett önskat dygnsmedelvärde för utgående ammoniumhalt, men begränsningar i framför allt styrsystemet tillät inte någon implementering av denna reglerstrategi. Regleringen av lufttillförseln görs med kaskadreglering. Det innebär att vid t ex ammonium-återkoppling är ammoniumregulatorn överordnad syrehaltsregulatorn, som i sin tur är överordnad luftflödesregulatorn. Regulatorerna har i detta arbete trimmats med hjälp av Lambdametoden och i rapporten beskrivs förhållandet mellan dessa regulatorer i praktiken. Utifrån de olika försöken har energiförbrukningen beräknats och resultaten visar att den mest effektiva reglerstrategin är konstanta syrehalter sett till både energiförbrukning och reningsgrad. Resultatet blir att ammoniumåterkopplingen kräver 22 Wh per kilo reducerad ammonium. Den ursprungliga regleringen kräver 21 Wh och reglerstrategin med konstanta syrehalter kräver 14 Wh per kilo reducerad ammonium. För att minimera syretopparna bör varje zon i bassängen kunna regleras individuellt och tekniken med en stegrande syreprofil längs med bassängen bör användas för att jämna ut ammoniumbelastningen i luftningssteget.

An analog current servo of an intensive care ventilator is being developed at Getinge in Stockholm. The current servo is used to control the output gas flow of an inspiration valve to a patient’s lungs. The ventilator’s control system is in a cascade design of two closed-loops, of which the current servo is the controller for the inner loop. The inner loop control system consists of three parts; a PI-controller, a Pulse-Width-Modulation (PWM) signal generator, and an actuator of a solenoid. The project aims to investigate if a digital version of the current controller is feasible with comparable performance as the present analog controller. The project involves studying linear mathematical models, nonlinear simulation models, and physic prototypes. The solenoid model is first modelled as an RL-circuit, secondly modified by adding the term Electro-Motive-Force (EMF), and finally verified by physical measurement data. Different control techniques are tested with the simulation model, such as feedforward control. A digital controller is then implemented in a processor of a Nucleo board and connected to the inspiration valve hardware with a resulting sampling rate of 8 kHz. The selected hardware components for the implementation are described in detail, and a step-by-step explanation of the software implementation is included in Appendix B. Finally, the model-tested control techniques have been implemented in a physical prototype and discussed. The developed digital current controller is feasible to achieve similar control performance as the present analog design. However, for configuring the digital current controller into a future digital ventilator’s Central Processing Unit (CPU), the sampling rate will need to be adopted to the limited recourses of the CPU executing both the current controller and all other functions of the inspiration valve. The code of the digital current controller will also need to be optimized in future work to compensate for the shared data capacity. / Ett analogt strömservo tillhörande en intensivvårds respirator har undersökts och digitaliserats på företaget Getinge i Stockholm. Strömservot används för att styra en inspirationsventils gasflöde till patientens lungor. Styrsystemet är av två stängda loopar i en kaskadreglering där strömservot är den inre regulatorn. Den inre loopen har tre huvuddelar; en PI-regulator, en Pulse-Width-Modulation (PWM) generator och ställdon som en dragmagnet. Syftet med projektet är att undersöka huruvida en digital strömregulator är implementerbar och om dess karaktär kan motsvara dagens analoga variant. Projektet använder sig av linjära matematiska modeller, ickelinjära simulerings modeller i Simulink samt fysiska prototyper. Metoden är att först testa enkla modeller, som för dragmagneten en RL-krets. Vid behov utvecklas modellen som för RL-kretsen där dess Electro-Motive Force (EMF) har inkluderats. Sedan verifieras den slutgiltiga modellen genom jämförelse med mätningar. En digital styrning har utvecklats och testats med olika styrtekniker så som framkopplingsteknik. Slutligen är en digital regulator implementerad i ett Nucleo-korts processor med en resulterad samplingstid på 8 kHz. Komponentval för hårdvaruimplementering är beskrivna och en stegförsteg lista av mjukvaruimplementeringen finns i Appendix B. De modelltestade styrteknikerna har blivit implementerade i en fysisk prototyp och diskuterade. Sammanfattningsvis är en digital version av strömregulatorn med dess samplingstid implementerbar och har snarlik prestanda som den analoga versionen. För framtida konfigurering i en digital gasmodul ska samplingstiden adopteras till den akutella datakapaciteten. Den resulterande C-koden för den digitala strömregulatorn går att optimera i många avseenden.

This thesis compares Model Predictive Control (MPC) and Proportional-Integral (PI) control in a pin-on-disc tribometer. The tribometer consists of a geared Direct Current (DC) motor driving a flywheel and a voice coil actuating a pin onto the surface of the flywheel. The contact surface of both pin and disc can be replaced with the desired material. The system is first modeled, and both conntrollers are derived from the models and Matlab and Simulink. A PI-cascade controller is used for the disc while a single PI controller is used for the pin. The PI controller is derived using the pole placement, the MPC is derived using the Simulink MPC-designer.  The control methods are evaluated using the Root Mean Sqaure Error (RMSE), percentage overshoot and rise time of step responses from two cases: The ideal case and the operational case. The ideal case contians minimal disturbance as only one actuator is operating at a time. The operational case intends to depict the future use case of the test rig where both actuators are operating simultaneously.  Statistical analysis is conducted as a three was Analysis of Variance (ANOVA) between controller (MPC/PI), case (ideal/operational) and actuator level (40/80 N or 100/200 rpm). In conclusion the MPC has a faster rise time but a higher RMSE than the PI controller in both the ideal and operational case when controlling the disc application of a tribometer. No significant difference in overshoot is established in the disc application of the tribometer. Considering the pin system of the tribometer, no conclusion can be drawn. The main factor being the large impact of the noise at the sampling frequency. This causes failure of the controllers in the operational case. / Denna avhandling jämför Model Predictive Control (MPC) och Propertionell-Integral (PI) kontroll i en stift-på-skiva tribometer. Tribometern består av en likströmsmotor med en växellåda som driver ett svänghjul, och en talspole som är kopplat till ett stift som i sin tur applicerar kraft på svänghjulets yta. Kontaktytan för både stift och skiva kan ersättas med önskat material. Systemet modelleras först, och de båda reglersystemen härleds från modellerna i Matlab och Simulink. En PI-kaskad kontroller används för skivan medan en enkel PI-kontroller används för stiftet. PI-kontrollern härleds med hjälp av polplacering MPC-kontrollern härleds med hjälp av MPC-designern i Simulink.  Reglermetoderna utvärderas med hjälp av kvadratroten ur medelkvadratavvikelsen (RMSE), procentuell översläng och stigtid för stegsvar från två fall: Det ideala fallet och de operativa fallet. Det ideala fallet innehåller minimala störningar eftersom endast ett ställdon åt gången är i drift. Det operativa fallet är avsett att representera det framtida användningsområdet för testriggen där båda ställdonen är i drift samtidigt.  Den statistiska analysen utförs som en trevägs Anlysis of Variance (ANOVA) mellan kontroll (MPC/PI), fall (idealt/operativt) och nivå (40/80 N eller 100/200 rpm). Slutsatsen är att MPC-kontrollern har en snabbare stigtid med en högre RMSE än PI-kontrollern i både idealfallet och driftfallet vid styrning av skivan i en tribometer. Ingen signifikant skillnad i översläng konstaterades i skivan. Ingen slutsats kan dras när det gäller drivning av tribometerns stift. Den huvudsakliga faktorn är den stora mängden störningar vid samplingsfrekvensen. Detta leder till att kontrollerna misslyckas in det operativa fallet.

Wave energy is a promising renewable resource with a higher energy density than both wind and solar. Waves can travel thousands of kilometers with minimal energy loss, making them more reliable than the previously mentioned alternatives. A device that utilizes wave energy to generate electricity is calleda Wave Energy Converter. The converter studied in this thesis is a non-resonant point absorber, a floating device that absorbs energy through its displacement in the water. An incident wave approaching the converter combined with a latching strategy transforms the wave into a water jet, which emerges as a pulse wave and varies from zero to maximum velocity. The kinetic energy of the water jet gets converted to electricity through a Pelton turbine and a permanent magnet synchronous motor that acts as a generator. The thesis investigates three generator velocity control strategies and two deadtime strategies and aims to answer which strategy yields the best efficiency for the selected wave fields. The strategies strive to maximize the efficiency of the Pelton turbine while minimizing the frictional and electrical losses. The first velocity control approach relies on historical data and computes the average based on the previous wavefield. The second approach maintains a predetermined turbine velocity based on the average jet velocity of each incident wave. Lastly, the third strategy continuously adapts the speed during each jet pulse to maximize the Pelton turbine efficiency. The dead-time strategies refer to the approaches employed between waves. The first approach maintainsa constant generator velocity, reducing the necessary acceleration to match the next incident wave. The second approach freewheels the generator, allowing it to decelerate due to friction losses. During the deceleration, the generator draws no current, but as the next wave arrives it must instead accelerate. Consequently, drawing more current but during a shorter period. The results reveal that there is no significant difference between the two deadtime strategies, but there is a significant difference between the velocity control strategies. Furthermore, the results illustrate the effectiveness of the local averaging method and the adaptive control method, which result in the highest system efficiency. / Vågenergi är en lovande energiresurs som har högre energidensitet än både vind- och solkraft. Vågor kan färdas tusentals kilometer med minimal energiförlust,vilket gör dem mer tillförlitliga än de tidigare nämnda alternativen. En anordning som kan nyttja vågors energi för att generera elektricitet kallas för vågenergiomvandlare. Omvandlaren som studerats i detta arbete är en icke-resonant punktabsorbent,vilket är en flytande anordning som absorberar energi genom dess förflyttning i vattnet. När en kommande våg närmar sig omvandlaren transformeras vågen till en vattenstråle, som framträder som en pulsvåg och varierar mellan noll och maxhastighet, via en styrstrategi vid namn ”latching”. Den kinetiska energin från vattenstrålen omvandlas till elektrisk energi via en Peltonturbin och en synkronmotor som agerar som generator. Det här arbetet undersöker tre hastighetsstyrstrategier samt två mellantidsstrategier för generatorn, och ämnar besvara vilken som är den mest effektiva strategin för en uppsättning vågor. Målet med dessa strategier är att maximera effektiviteten hos Peltonturbinen medan friktions- samt elektriska förluster minimeras. Den första hastighetsstyrstrategin håller en konstant hastighetbaserad på ett medelvärde från ett tidigare vågfält. Den andra strategin hålleren konstant hastighet, vilken anpassas till varje inkommande våg. Den tredje strategin anpassar hastigheten kontinuerligt under pulsvågen för att maximera turbineffektiviteten. Med mellantidsstrategierna menas de styrstrategier som nyttjas mellan vattenpulserna. I den första mellantidsstrategin körs generatorn som motor och håller konstant hastighet, vilket minskar de nödvändiga accelerationerna för att möta kommande vågs referenshastighet. Den andra strategin låter generatorn frihjula, vilket gör att hastigheten faller på grund av friktionsförluster. Under hastighetsminskningen drar generatorn ingen ström, men den måste då istället accelerera när kommande våg anländer. Detta innebär att generatorn kommer att dra mer ström, men under en kortare period. Resultaten avslöjade att det inte var någon signifikant skillnad mellan de två mellantidsstrategierna och att det var en signifikant skillnad mellan hastighetsstyrstrategierna. Resultatet visade att de två metoderna med variabel hastighet gav högre systemeffektivitet än metoden med konstant hastighet.