Thesis (PhD (Mechanical and Mechatronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2003. / The thermal performance prediction of wet-cooling towers is critically analyzed and refined. Natural draft counterflow towers and mechanical draft counterflow and crossflow towers are considered. The Merkel, Poppe and e-NTU heat and mass transfer methods of analysis are derived from first principles, as these methods form the cornerstone of wet-cooling tower performance evaluation. The critical differences between these methods, when applied to fill performance analyses and cooling tower performance evaluations, are highlighted. The reasons for these differences are discussed with the aid of psychrometric charts. A new extended empirical relation for the loss coefficient of fills is proposed where the viscous and form drag effects are accounted for as well as the buoyancy, momentum and fill height effects. The empirical equation for the transfer characteristic of fills is extended to include the effects of fill height and the inlet water temperature. Empirical equations to predict the temperature inversion profile, height of the temperature inversion and the height from which air is drawn into the cooling tower are developed. The influence of temperature and humidity inversions on the performance of wet-cooling towers is subsequently investigated. A comprehensive analytical computer program is developed to predict and optimize the performance of wet-cooling towers. Computer programs are also developed to generate cooling tower performance curves, analyze fill performance test data and plot psychrometric charts.

De l’avion plus électrique, en passant par l’hybridation de véhicules automobiles et jusqu’aux implants cardiaques d’assistance circulatoire, la compacité est devenue le graal de l’électrotechnique embarquée moderne. En effet, la densité de puissance des systèmes électromécaniques ne cesse de s’accroitre. Ainsi, pour répondre aux besoins de forte intégration, les convertisseurs en électronique de puissance trouvent un vecteur de développement dans l’augmentation de leur température et des fréquences de fonctionnement mais aussi dans la réduction des temps de commutation des interrupteurs, leur permettant de réduire leurs pertes thermiques et ainsi, de réduire leurs besoins en refroidissement. Les moteurs et générateurs électriques évoluent avec des topologies aussi diverses qu’innovantes pour répondre aux besoins d’intégration, robustesse et sureté de fonctionnement. Particulièrement, les bobinages des moteurs sont les premiers éléments sur le front de bataille. Au sein du bobinage s’effectuent les échanges entre moteur et convertisseur. L’augmentation des contraintes fréquentielles et transitoires sous forme de fronts de courant et tension issus des ensembles d’électronique de puissance constituent des défis en termes de compatibilité électromagnétique (CEM) pour les systèmes embarqués. Le travail présenté ici est le fruit d’une étroite collaboration entre la société NOVATEM et le laboratoire Génie de Production de l’ENIT de Tarbes au travers d’un financement CIFRE, en association avec la plateforme Labceem de l’IUT de Tarbes. Il propose d’apporter des modèles prédictifs permettant de déterminer les conséquences de ces contraintes d’intégration dans les systèmes mécatroniques de puissance dès les premières étapes de leur conception. Les perturbations conduites dont la source HF est au sein des interrupteurs de puissance du convertisseur, sont façonnées par les impédances caractérisant le chemin de couplage dont le moteur fait partie intégrante. Ce travail vise à élaborer des méthodes et outils pour contribuer à l’étude prédictive de la compatibilité électromagnétique (CEM) des ensembles mécatroniques en essayant de couvrir une plage de fréquence allant de 0 à 300 MHz. Dans une première partie, un état de l’art est détaillé afin de délimiter le contexte et les frontières de l’étude. Puis, un deuxième chapitre porte sur la modélisation analytique de bobinages concentrés de moteurs électriques. Les modèles analytiques établis permettent de déterminer les paramètres de réseaux de circuits pour effectuer des simulations dans le domaine temporel et harmonique. Contrairement aux modèles comportementaux de moteurs répandus dans la littérature, les modèles ici synthétisés prennent en compte les paramètres physiques des bobinages. Ils donnent la possibilité à l’utilisateur de paramétrer les architectures de bobinages concentrés en changeant des paramètres tels que la géométrie des bobines, les matériaux d’isolation ou encore la perméabilité des culasses. Un troisième chapitre, détaille l’établissement d’une méthode rationnelle d’extraction numérique de paramètres fonctionnels et parasites des PCB multicouches de puissance. Cette méthode, de par la prise en compte de paramètres physiques, s’inscrit dans une logique générique et prédictive. Finalement, dans le dernier chapitre, les outils et méthodes précédemment établis sont appliqués à l’étude d’un système réel de motorisation de véhicule électrique développé par la société partenaire Novatem. Le caractère physique et prédictif de ces outils vise à permettre l’expérimentation virtuelle sur l’ensemble moteur-convertisseur sans la nécessité de prototypes. Ce dernier chapitre illustre l’intérêt d’une approche physique en modélisation pour la compatibilité électromagnétique de systèmes mécatroniques. / From the more electrically operated aircraft, to the hybridization of motor vehicles, all the way to electromechanic cardiac implants, compactness has become the holy grail of modern embedded electrical engineering. Indeed, the power-to-weight ratio demands for electromechanical systems has greatly increased. To meet these high integration needs, power electronic converters find a vector of development by increasing their temperature and operating frequencies but also by reducing the switching time of power switches, thus enabling them to reduce their power losses and thereby reducing their cooling requirements. Electric motors and generators operate with various innovative topologies that meet integration, robustness and reliability needs. Motor windings, particularly, are the first motor components on the battle front. It is at the heart of the winding that occur the exchanges between motor and converter. In terms of electromagnetic compatibility (EMC) for embedded systems, the increased frequency and transient stresses in the form of current and voltage edges from the power electronic assemblies are considered steep challenges. The work presented herein is the result of a close cooperation between the company Novatem and the laboratory Génie de Production of ENIT de Tarbes, through CIFRE funding, in combination with the Labceem platform of IUT of Tarbes. Its aim is to develop predictive models that will serve to determine the consequences of such integration constraints in power mechatronic systems that are in the early stages of design. Conducted disturbances whose HF source is located at the inverter power switches are shaped by the impedances characterizing the coupling path of which the electrical machine is an integral part. This work proposes to develop methods and tools to support the predictive study of electromagnetic compatibility (EMC) of mechatronic assemblies, by attempting to cover a modeling frequency range that goes from 0 to 300 MHz’s. In the first chapter of this work, a literature review is detailed for the definition of the context and boundaries of the study. A second chapter focuses on the analytical modeling of concentrated windings in electric motors. The analytical models that are established allow determination of circuit networks settings to perform time- and frequency- domain simulations. Unlike the widespread behavioral models of electrical machine in the literature, the models that are synthesized here take into account the physical parameters of the coils. The user of such models is offered the opportunity to account for the different winding architectures, by changing core parameters such as geometry, insulation materials or permeability. A third chapter describes the establishment of a rational method for extraction of functional and parasitic parameters in multilayer Power PCBs. This method being of a generic and predictive logic aims to account for physical parameters. Finally, in the last chapter, the previously established tools and methods are applied to the study of a real electric vehicle drive system developed by the company Novatem. The physical and predictive value of these tools allows for execution of virtual experimentations on the motorconverter assembly without the need for prototypes. This chapter illustrates the value of a physical approach to modeling the electromagnetic compatibility of mechatronic systems.

Dans l’environnement concurrentiel d’aujourd’hui, la mondialisation des marchés et les enjeux socio-écologiques du développement durable représentent des défis majeurs pour l’industrie automobile. Afin de relever ces défis, les entreprises doivent investir dans des outils de développent plus performants. Pour améliorer la performance d’un moteur thermique en termes de consommation et d’émissions une compréhension enrichie de la boucle d’air autour du moteur et de l’interaction entre ses composants est indispensable Cette thèse suit deux axes de recherche dans ce contexte. Dans un premier temps, les problèmes liés à la modélisation d’une boucle d’air globale sont traités. En particulier, sont modélisés le débit d’air entre les différents sous-systèmes, la combustion en fonction du degré vilebrequin, la pulsation du débit et de la pression et l’estimation de la force aérodynamique sur les vannes des turbocompresseurs à géométrie variable (TGV). Cette étude de modélisation détaillée à été utilisée pour mettre en place un simulateur de la boucle d’air, qui prend en compte ces interactions et qui peut prédire l’influence des sous-systèmes sur la boucle globale. En suite, l’effort de notre recherche a été consacré à la modélisation des actionneurs mécatroniques de la boucle d’air et de leur comportement non linéaire dû au frottement, aux variations de la température, etc. Un modèle dynamique non linéaire à été développé et intégré dans le simulateur. Ce modèle peut être adapté aux plusieurs types d’actionneurs commerciaux. Le simulateur complet à été implémenté sous AMESim pour les modèles du moteur et de la boucle d’air, et sous Simulink pour le contrôle. Les modèles ont été paramétrées selon les spécifications d’un moteur commercial et le simulateur à été validé expérimentalement. Finalement, des lois de commande robustes ont été étudiées pour le contrôle en position (contrôle locale) des actionneurs. Un contrôleur adaptatif à été développé pour garantir la performance des actionneurs malgré des changements dans le frottement, ainsi que dans la charge externe. La performance de toutes les méthodes étudiées, a été validée expérimentalement. / Today’s globally competitive market and its associated environmental and social issues of sustainable development are major challenges for the automobile industry. To meet them, the industry needs to invest in high performance development tools. For improving engine performance in terms of consumption and emission, the interactions between the subsystems of the engine air-path need to be understood. This thesis followed two major axes of research in this context. First, the problems related to the modeling of the global air-path system were studied, which include the airflow characteristics between the different subsystems of the air-path, high frequency combustion modeling and pulsating airflow, and estimation of the exhaust aerodynamic force on the vanes of variable geometry turbochargers (VGT). The detailed modeling study was used for developing an engine air-path simulator, which takes into account these interactions and predicts the influence of subsystems on the global air-path. The second axis of research was focused on modeling of mechatronic actuators of the air-path, taking into account their nonlinear behavior due to friction and changes in operating conditions. A generic nonlinear dynamic model was developed and included in the simulator. This model can be adapted to most commercial actuators. The complete simulator has been implemented using AMESim for engine and air-path modeling, and Simulink for control. It has been parameterized according to the specifications of a commercial diesel engine and validated against experimental data. Finally, robust local controllers were studied for actuator position control, aimed at guaranteeing the performance of the actuators under parametric uncertainty and external disturbances. An advanced controller was developed, which adapts to changes in friction characteristics of the actuator and external load changes. The performance of all controllers has been demonstrated experimentally.

A mechatronic chewing robot of 6-DOF mechanism which consists mainly of the skull, six crank actuators, end effector and motion control system has been designed and is required to simulate human chewing behaviours while the chewed food properties are evaluated. The robotic mechanism is proposed and its kinematic parameters are defined according to the biomechanical findings and measurements of the human masticatory system. This thesis is concerned with the design and implementation of trajectory tracking control for robotic jaw actuators via Galil motion controller. The aim of this project is to simulate the dynamics behaviour and force-motion control of the robot, and to quantitatively assess food texture changes during chewing. A control system based Galil motion control card has been formed to achieve the motion of simulated human mastication. Some real human mastication motion have been tracked and used as targeted trajectories for the robot to reproduce. Several experiments have been executed to measure the jaw movements and chewing forces. To reduce the vibration of the actuators and protect sensitive linkage part of the robot, the traditional PID control and some advanced control theories were implemented to achieve most effective efforts. A mathematical model was also designed at the first stage when a test actuator powered by brushless motor was formed; however, it is finally proven not well controlled in either mechanical and control ways. Major features of the built robot including the motion control system are presented and tested. Experimental results including free chewing, soft-food and hard-food chewing are given where the foods are simulated by foam and hard objects. Also the joint actuations and driving torques required are compared for the chewing of different foods. In conclusion, tracking motion control has been attempted on the physical robot and a solution to the trajectory control has been developed.

A percussion performance by a skilled musician will often extend beyond a written score in terms of expressiveness. This assertion is clearly evident when comparing a human performance with one that has been rendered by some form of automaton that expressly follows a transcription. Although music notation enforces a significant set of constraints, it is the responsibility of the performer to interpret the piece and “bring it to life” in the context of the composition, style, and perhaps with a historical perspective. In this sense, the sheet music serves as a general guideline upon which to build a credible performance that can carry with it a myriad of subtle nuances. Variations in such attributes as timing, dynamics, and timbre all contribute to the quality of the performance that will make it unique within a population of musicians. The ultimate goal of this research is to gain a greater understanding of these subtle nuances, while simultaneously developing a set of stochastic motion models that can similarly approximate minute variations in multiple dimensions on a purpose-built robot. Live or recorded motion data, and algorithmic models will drive an articulated robust multi-axis mechatronic system that can render a unique and audibly pleasing performance that is comparable to its human counterpart using the same percussion instruments. By utilizing a non-invasive and flexible design, the robot can use any type of drum along with different types of striking implements to achieve an acoustic richness that would be hard if not impossible to capture by sampling or sound synthesis. The flow of this thesis will follow the course of this research by introducing high-level topics and providing an overview of related work. Next, a systematic method for gesture acquisition of a set of well-defined percussion scores will be introduced, followed by an analysis that will be used to derive a set of requirements for motion control and its associated electromechanical subsystems. A detailed multidiscipline engineering effort will be described that culminates in a robotic platform design within which the stochastic motion models can be utilized. An analysis will be performed to evaluate the characteristics of the robotic renderings when compared to human reference performances. Finally, this thesis will conclude by highlighting a set of contributions as well as topics that can be pursued in the future to advance percussion robotics. / Graduate / 2019-12-10

De par le fonctionnement de son rotor, l'hélicoptère est le siège de vibrations mécaniques importantes impactant notamment la fatigue des pièces mécaniques et le confort des passagers. La liaison BTP-Fuselage équipé du système SARIB est un système anti-vibratoire qui permet d'atténuer mono-fréquentiellement les vibrations transmises au fuselage. Des solutions intelligentes semi-actives sont donc étudiées afin que la filtration soit réglable en fonction des vibrations excitatrices. Ce type d'études souffre, par contre, d'un manque d'outils et de méthodes indispensables, d'une part, à la modélisation de systèmes mécaniques complexes et d'autre part, à l'élaboration d'une liaison intelligente. Ces travaux proposent une démarche de modélisation à partir d'un outil de modélisation structurel tel que le multi-bond graph (MBG) permettant une vision global et modulaire pour l'étude de systèmes mécaniques complexes tels qu'on peut les trouver sur un hélicoptère. Dans un premier temps, une analyse des outils de modélisation conduisant au choix du MBG a été présentée. Dans un second temps, les développements ont porté sur la modélisation MBG de la liaison BTP/ Fuselage 3D d'un banc d'essai réel qui a été conçu et réalisé au sein du laboratoire. Cette liaison est un système mécanique cinématiquement bouclé. Les équations de la dynamique d'un tel système forment un système d'équations algébro-différentiel (DAE) nécessitant des techniques de résolution spécifiques. Le modèle MBG de la liaison BTP-fuselage entier a été simulé à l'aide du logiciel 20-sim. Les résultats obtenus ont été vérifiés à l'aide du logiciel multicorps LMS Virtual Lab. Une comparaison des résultats obtenus par les deux méthodes a donné, pour différents cas d'excitations de la BTP (pompage, roulis, tangage), une corrélation très satisfaisante. Dans un troisième temps, le modèle MBG a été exploité pour la mise en place d'un dispositif de contrôle semi-actif. Le modèle du dispositif SARIB développé également sous 20-sim permet de régler la position des masses mobiles en fonctionnement de manière à minimiser le niveau de vibratoire du fuselage. L'algorithme de contrôle (algorithme de gradient) permet de calculer les consignes de position des masses mobiles sur les batteurs SARIB. La position des masses mobiles actionnée par un moteur électrique à courant continu et un système vis-écrou est ensuite asservie aux consignes générées par l'algorithme de contrôle. Enfin, la commande a pu être mise en place sur un modèle bond graph non-linéaire qui n'a pas nécessité une linéarisation en vue d'une transformation en fonction de transfert. / Due to the operation of the rotor, the helicopter is subject to important vibrations affecting namely the fatigue of mechanical parts and the passengers comfort. The MGB-Fuselage joint equipped with the DAVI system is an anti-vibration system that helps to reduce, in a single frequency way, vibrations transmitted to the fuselage. Semi-active intelligent solutions are studied so that the filtering can be adjusted according to the vibration sources. Such studies suffer from a lack of tools and necessary methods, firstly, for the design of complex mechanical systems and secondly, for the development of an intelligent joint. This work proposes a modeling approach using a structural modeling tool : the multi-bond graph (MBG) which offers a global and modular view for the study of complex mechatronic systems such as helicopter. At first, an analysis of modeling tools leading to the selection of MBG is presented. Secondly, developments have focused on the MBG modeling of the 3D MGB-fuselage joint of an experimental setup which was designed and built in the laboratory. This joint is a mechanical system with kinematic loops. The equations of the dynamics of such system are a differential-algebraic system (DAE) requiring specific solving methods. The MBG model of the MGB-fuselage was simulated using the 20-sim software. The results were verified using the multibody software LMS Virtual Lab. A comparison of results obtained by the two methods led to a very good correlation to various cases of excitations of the MGB (pumping, roll, pitch). Thirdly, the MBG model was used for the establishment of semi-active control system. The model of the DAVI device also developed in 20-sim allows to adjust the position of the moving masses in operation so as to minimize the level of vibration of the fuselage. The control algorithm (gradient algorithm) enables to calculate the setpoint positions of the moving masses on the DAVI beaters. The position of the moving masses driven by an electric DC motor and a screw-nut system is then controlled to the setpoints generated by the control algorithm. Finally, the command could be implemented on a non-linear bond graph model which did not require a linearization to get a transfer function.

The thesis introduces the design of a test device for preassembled mechatronic cylindrical locks. The device is designed to test the mechanical and electronic parts which ensure minimisation of loss caused by poor preassembling or defect due to electronic parts. Since the defect will only come to realisation upon the complete product testing, the time of complete dismounting, exchange and assembly of the mechatronic parts would be saved and also time required for the final test of the whole product on the device would be saved.

Additive mechatronische Systeme (AMS) sind geeignet, die Funktionalität von Werkzeugmaschinen (WZM) zu verbessern. Die Vielfalt und Redundanz der entwickelten Lösungen erschwert jedoch die optimale Berücksichtigung von AMS im frühzeitigen Entwicklungsprozess von WZM. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, den möglichen Lösungsraum schon frühzeitig einzugrenzen und damit zielführende Lösungen effektiv zu kanalisieren. Hierfür werden im ersten Schritt Funktionalitätsgrenzen von WZM bewertet. Danach erfolgt die Definition von AMS-Funktionsprinzipien und eines geeigneten Beschreibungsansatzes, um daraus allgemeine Eingriffsstrategien für AMS in WZM abzuleiten und vergleichend zu bewerten. Abschließend werden die Auswirkungen der vorgeschlagenen Vorgehensweise auf den Entwicklungsprozess von WZM diskutiert. Anhand dreier Anwendungsbeispiele werden die erarbeiteten Vorgehensweisen und Werkzeuge validiert und Grenzen aufgezeigt. / Additive mechatronic systems (AMS) are suitable for improving the functionality of machine tools. However, the variety and redundancy of the solutions developed make it difficult to optimally take AMS into account in the early development process of machine tools. In the present work a procedure is shown to limit the possible solution space and thus to identify effective solutions at an early stage. For this purpose, the functional limits of machine tools are assessed in the first step. This is followed by the definition of AMS functional principles and a suitable description approach in order to derive general intervention strategies for AMS in machine tools and to evaluate them comparatively. Finally, the effects of the proposed procedure on the development process of machine tools are discussed. Using three application examples, the developed procedures and tools are validated and limits are shown.

La agricultura es una de las actividades económicas más importantes en el Perú llegando a tener una gran variedad de cultivos de exportación. Pero a nivel nacional, solo unas cuantas han logrado la Denominación de Origen, como es el caso del grano seco de pallar en la región Ica. Este reconocimiento, junto con su alto valor nutricional, ha permitido duplicar su producción y exportación en los últimos 10 años. Sin embargo, la inadecuada forma en que se realiza una de las etapas principales, la selección del grano por calidad, trae problemas como imprecisiones en la calidad final del lote, repeticiones del proceso y, ya que este es un proceso manual, genera fatiga en el personal que ejecuta las operaciones. Las causas del problema están relacionadas con el actual procedimiento subjetivo y la no existencia de tecnología adecuada. Por ello, en este estudio se desarrolla un sistema mecatrónico que permite la selección automática de pallares cuyos criterios de selección se toman de la Norma Técnica Peruana para exportación de pallar, la NTP 205.019: 2015. De esta forma, se alcanza mantener un proceso objetivo, estandarizado, de mayor precisión y de reducido trabajo manual utilizando tecnologías modernas. El producto final es un prototipo automatizado con fabricación modular que clasifica los granos de pallar seco (aceptado o rechazado) utilizando algoritmos de procesamiento de imágenes y luego descarta los granos defectuosos mediante preactuadores neumáticos. Además, se utilizan transportadores vibratorios para movilizar a los granos de acuerdo a la necesidad. Finalmente, el hardware y software son implementados conforme a estándares y buenas prácticas de automatización industrial. / Agriculture is one of the most important economic activities in Peru, having a great variety of export crops. But only a few have achieved the Denomination of Origin at the national level, as is the case of the dry lima bean in the Ica region. This recognition, together with its high nutritional value, has allowed its production and exportation to double in the last 10 years. However, the inadequate way in which one of the main stages is carried out, the grain sorting by quality, brings problems such as inaccuracies in the final quality of the batch, repetitions of the process and, since this is a manual process, fatigue in the personnel. The causes of the problem are related to limited technology and the current subjective procedure. Therefore, in this study a mechatronic system is developed that allows the automatic lima beans sorting whose criteria are based on the Peruvian Technical Standard for lima beans export, the NTP 205.019: 2015. In this way, an objective process would be maintained, standardized, with reduced manual labor using modern technologies. The final product is an automated prototype with modular manufacturing that sorts dry lima beans (accepted or rejected) using image processing algorithms and then discards the defective ones using pneumatic actuators. In addition, vibratory conveyors are used to move the grains according to need. Finally, the hardware and software are implemented according to standards and good industrial automation practices. / Tesis

La modélisation des systèmes mécatroniques nécessite le même type de méthodologie pour la conception et le prototypage de dispositifs mécatroniques. Une ingénierie unifiée et intégrée doit être déployée. Diverses approches sont actuellement proposées pour atteindre de la modélisation multi-physique comme la théorie des graphes, les approches équationnelles ou les techniques. Dans ce contexte, l’objectif de nos travaux de recherche est la conception d'une méthodologie appliquée aux modèles dynamiques multi-physiques à topologie dynamique. Pour une telle contribution, il est nécessaire de partir d’une approche existante. Cette approche porte sur la modélisation topologique puisqu’elle est basée sur les collections topologiques et les transformations. Cette approche topologique est utilisée pour modéliser les systèmes mécatroniques.Son point fort est la séparation de la topologie (loi d'interconnexion) et la loi de comportement (physique) qui permet la simplification de la modélisation de systèmes complexes que l'on peut décrire comme un ensemble d'interactions locales entre entités élémentaires. La thèse propose donc une nouvelle méthodologie nommée 4Mo(DS)2 qui se rapporte à la modélisation multi-niveaux, multi-domaines et multi-physiques basée sur des systèmes dynamiques qui ont des structures dynamiques. Cette méthodologie permet la modélisation topologique des modèles dynamiques multi-physiques à topologie dynamique pendant la phase de conception tout en prenant en compte les modifications topologiques, le contrôle et commande ainsi que l’intégration de la dimension deux dans leur structure topologique. / Mechatronic systems modelling requires the same type of methodology for the design and prototyping of mechatronic devices. Unified and integrated engineering must be deployed. Various approaches are currently proposed to achieve multi-physics modeling such as graph theory, equational approaches or techniques. In this context, the objective of our research work is the design of a methodology applied to dynamic multi-physical models with dynamic topology. For such a contribution, it is necessary to start from an existing approach. This approach focuses on topological modelling since it is based on topological collections and transformations. This topological approach is used to model mechatronic systems.Its strong point is the separation of topology (interconnection law) and behavior law (physical) which allows the simplification of the modeling of complex systems that can be described as a set of local interactions between elementary entities. The thesis therefore proposes a new methodology named 4Mo(DS)2 which relates to multilevel, multi-physical and multi-domain modeling based on dynamic systems that have dynamic structures. This methodology allows the topological modeling of dynamic multi-physical dynamic topology models during the design phase while taking into account topological modifications, control and command as well as the integration of dimension two into their topological structure.