This work describes exceptional properties of McKibben pneumatical muscle and introduces its state-of-the-art model. The mathematical model is extended especially in a field of a thermodymical behavior. A new model applies a method used for describing of a thermodynamical behavior of pneumatic cylinders until now. This method is significantly upgraded to fit a muscle behavior, particularly by considering a heat generated by a muscle internal natural friction. The model is than verified and discussed with a real system. The haptic part introduces a development and design of a haptic glove interface for the use in robotics, especially in telepresence, or in VR. The force and touch feedback is provided by Pneumatic Muscles controlled by an open loop algorithm using the introduced mathematical model. The design is light and compact.

Die Arbeit ist der regelungstheoretischen Betrachtung von mechanischen Systemen mit mehr Freiheitsgraden als Stellgrößen gewidmet. Dabei werden Aspekte aus den Teilgebieten Modellbildung, Systemanalyse, Steuerungsentwurf und Reglerentwurf behandelt. Den Ausgangspunkt bilden die aus dem Lagrange-Formalismus resultierenden Bewegungsgleichungen, für welche neben verschiedene partiell linearisierten Zustandsdarstellungen auch eine spezielle Byrnes-Isidori-Normalform eingeführt wird. Im Unterschied zu einer früher vorgeschlagenen ähnliche Normalform existiert diese "Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform" immer. Weiterhin wird die bedeutende Eigenschaft der differentiellen Flachheit im Zusammenhang mit mechanischen Systemen untersucht. Die bestehende Lücke zwischen den bekannten notwendigen und hinreichenden Flachheitsbedingungen bildet die Motivation zur Anpassung der Regelflächenbedingung auf mechanische Systeme in Lagrange-Byrnes-Isidori-Normalform. Parallel dazu wird die Flachheitsanalyse auf Basis des sogenannten Variationssystems betrachtet. Dabei handelt es sich um ein System von 1-Formen, die durch Anwendung der äußeren Ableitung auf die impliziten Systemgleichungen entstehen. Äquivalent dazu können auch die in einer rechteckigen Polynommatrix bezüglich des Zeitableitungsoperators zusammengefassten Koeffizienten der Basisformen untersucht werden. Die Flachheit eines Systems ist nun gerade äquivalent zur Existenz einer unimodularen Vervollständigung dieser Matrix, welche zudem noch eine bestimmte Integrabilitätsbedingung erfüllen muss. Durch Anwendung des Satzes von Frobenius können aus diesen in der bisherigen Formulierung nur schwer überprüfbaren Bedingungen deutlich einfachere hergeleitet werden. Für den Eingrößenfall ergibt sich dadurch eine erheblich Verringerung des Rechenaufwandes im Vergleich zum Referenzansatz. Im Mehrgrößenfall ist die Situation komplizierter: Durch das Fallenlassen der Unimodularitätsforderung und die Ausnutzung der speziellen Struktur mechanischer Systeme erhält man eine neue notwendige Bedingung für Flachheit, welche sich in endlich vielen Schritten auswerten lässt. Allerdings konnte mit dieser die vermutete Nichtflachheit für die untersuchten mechanischen Beispielsysteme nicht nachgewiesen werden. Einen weiteren Untersuchungsgegenstand bildet das Konzept der Konfigurationsflachheit. Für diese Eigenschaft ist gefordert, dass ein flacher Ausgang existieren muss, der nur von den Konfigurationskoordinaten abhängt. Basierend auf theoretischen Überlungen und dem Fehlen von Gegenbeispielen wird die Hypothese aufgestellt, dass für konservative mechanische Systeme Flachheit und Konfigurationsflachheit äquivalent sind. Für lineare mechanische Systeme kann diese Hypothese mit Hilfe der Kronecker-Normalform von Matrizenscharen verifiziert werden. Bezüglich des Entwurfs von Solltrajektorien werden neben der Darstellung bekannter Verfahren für lineare und für flache Systeme zwei weitere Ansätze genauer diskutiert. Der erste basiert auf der numerischen Lösung des aus dem Steuerungsentwurf resultierenden Randwertproblems. Dazu wird ein angepasstes Kollokationsverfahren konstruiert, welches die Elimination von Systemgrößen durch die explizite Berücksichtigung von Integratorketten ermöglicht, die bei partiell linearisierten Systemen stets auftreten. Unter bestimmten Bedingungen bewirkt dies eine erhebliche Reduktion der Rechenzeit. Der zweite Ansatz betrachtet die Überführung zwischen zwei Ruhelagen und beruht auf der Zeitumkehrsymmetrie, die alle konservativen mechanischen Systeme aufweisen. Er besteht aus mehreren Schritten: Zunächst wird für beide Ruhelagen eine Rückführung mit möglichst großem Attraktivitätsgebiet entworfen. Danach wird das System simulativ ausgehend von der Zielruhelage in der Startruhelage stabilisiert. Die so erhaltene Eingangstrajektorie kann dann bezüglich der Zeit invertiert werden, um das System aus der Startruhelage in die Nähe der Zielruhelage zu überführen, wo schließlich der entsprechende Regler aktiviert wird. In praktischen Realisierungen von unteraktuierten Regelungssystemen treten auf Grund von Effekten wie trockener Reibung und Getriebespiel oft Dauerschwingungen mit schwer vorhersagbaren und beeinflussbaren Parametern auf. Als Alternative zur klassischen Stabilisierung einer (theoretischen) Ruhelage wird deshalb eine Rückführung hergeleitet, welche für ein gegebenes lineares System einen stabilen Grenzzyklus mit vorgebbarer Frequenz und Amplitude asymptotisch stabilisiert.

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In a world with finite resources, there is a global push for sustainable development and circular economy models. One way the process industry may promote circularity is by investigating the feasibility of re-collecting their, or similar, end-of-life products from the market. This thesis investigates this strategy in the context of collaborating with a supplier of the end-of-life products. Thus, the following main research question derived; How could a process industry organisation, through supply chain integration with an external supplier, pursue a closed-loop value chain instead of an open-loop? The focus is on assessing operational aspects of the supply chain that needs restructuring for integrating a joint flow between an organisation and its supplier. These operational aspects and their effects on costs are accounted for in this thesis. To answer the research question, an exploratory case study with primary data collection of interviews at two organisations are carried out, and literature reviewed on the matter, which yielded insights on the matter for a practitioner’s view. The thesis concludes that the capabilities and capacities of the external supplier set critical frames for the supply chain integration. Where the capacity in terms of quality, timing and quantity of the supplier, dictates what volume the supplier could deliver to the case company, which indirectly decides what scale the project could reach. The conclusions highlight five key conditioning procedures of the end-of-life product that needs to be secured in order for the case company to be able to accept them into their current processes; sorting, traceability, cleaning, collecting and storing. These requirements for conditioning processes set a comprehensive impact on the cost image of the restructuring, but is regarded as necessary to meet the requirements expressed by the case company. The results show that stricter tolerance levels calls for higher operational costs, and hence it is recommended to elaborate on the possibilities of easing technical requirements. The more accepting a process industry organisation could be for tolerance levels on end-of-life products, the less pressure is set on the supplier for engaging resources in conditioning activities, thus this aspect has a direct correlation to the cost image. / I en värld med ändliga resurser finns en global drivkraft att sträva efter hållbar utveckling och cirkuläritet i affärsmodellen. Ett sätt processindustrier kan främja cirkuläritet är genom att undersöka möjligheten att samla upp sina, eller andras, uttjänta produkter för att ta tillvara på dess värde. Denna uppsats behandlar strategin i kontexten där en processindustri samarbetar med en utvald extern leverantör för att uppnå detta reverserade flöde. Ur detta fokus formulerades följande huvud-forskningsfråga; Hur kan en organisation inom processindustrin, genom att integrera leverantörskedja med en extern leverantör, eftersträva en stängd- istället för en öppen cirkulär värdekedja? Vidare är uppsatsens fokus att fastställa vilka aspekter i försörjningskedjan som kan komma att behövas rekonstrueras för att integrera dessa två kedjor, samt vad detta bidrar för ekonomisk påverkan på integrationen av försörjningskedjan. För att svara på forskningsfrågan skedde en explorativ fallstudie med primär datainsamling i form av intervjuer hos två organisationer, och en granskning av litteraturen tillhörande aktuellt området. Detta genererade värdefulla insikter sett från ett praktiskt perspektiv. Uppsatsen landar i slutsatserna att färdigheterna och kapaciteten hos den externa leverantören är avgörande för hur försörjningskedjorna ska kunna integreras. Kapaciteten är mätt i termer av kvalité, tajming och kvantitet hos leverantören, tre aspekter som dikterar den potentiella volym som kan levereras till fall-företaget och därmed den potentiella skalan av projektet. Uppsatsen belyser vidare fem nyckelprocesser som krävs för att säkerställa skicket av den uttjänta produkten, för att fall-företaget ska kunna acceptera produkten som ingångsmaterial i sina processer. Dessa är sortering, spårbarhet, rengöring, uppsamling och förvaring. De påverkar kostnadsbilden av projektet och visar till exempel att ju striktare toleransnivåer fall-företaget har på den uttjänta produkten, desto högre krav ställs på operativa processer hos leverantören för att leverera inom de efterfrågade toleransramarna. Detta utmynnar i slutsatsen att ju mer fall-företaget kan lätta på sina tekniska toleranser, desto mer flexibilitet kan leverantören ha vid den interna konditioneringen av den uttjänta produkten, ett samband som har en direkt korrelation till kostnadsbilden av projektet.

Les doublets géothermiques sur aquifères superficiels jouent un rôle important en France pour le chauffage, le rafraichissement et la production d’eau chaude sanitaire des bâtiments. La pérennité de ces installations est cependant conditionnée par la possibilité de pouvoir garantir dans le temps la production puis la réinjection de l’eau souterraine. Le colmatage de la boucle géothermale est un problème majeur qui affecte de nombreuses installations sur l’ensemble du territoire français et remet en cause leur viabilité technico-économique. La compréhension et la prédiction de ce phénomène nécessite de nouveaux moyens de caractérisation et de modélisation des processus biogéochimiques couplés au fonctionnement des boucles géothermales dans des environnements de subsurface hétérogènes. Cette thèse a ainsi fait l’objet d’une nouvelle collaboration entre le laboratoire Géosciences Rennes et l’entreprise Antea group pour identifier les mécanismes à l’origine de ces phénomènes de colmatage et d’en caractériser les paramètres influents dans le but de construire un outil d’analyse des risques permettant l’anticipation de ces processus de colmatage. Le premier volet de la thèse expose la synthèse des typologies de colmatage (biogéochimique, chimique, biologique et physique). Cette synthèse est issue de l’étude de la littérature sur la problématique de colmatage des forages d’eau et des retours d’expérience concernant les doublets géothermiques recensés et étudiés durant cette thèse. Le second volet présente les inventaires régionaux des problématiques de colmatage recensées en France dans différents contextes hydrogéologiques. Ces inventaires ont permis de délivrer un état des lieux à grande échelle de la problématique de colmatage et d’étudier les contextes associés à chaque type de colmatage. Dans le troisième volet, de nouvelles méthodologies de caractérisation in-situ des phénomènes de colmatage biogéochimique liés à l’oxydation du manganèse et du fer sont présentées. Elles ont été développées dans le cadre de ces travaux de thèse à partir des investigations menées sur différents sites confrontés à des problèmes d’exploitation. Ces méthodologies d’investigations pluridisciplinaires couplent la mesure des propriétés hydrauliques, des concentrations en éléments chimiques et de la diversité microbienne afin d’identifier la problématique impactant le fonctionnement de l’installation et d’en définir in fine les causes. Le quatrième volet expose les résultats d’une campagne de terrain effectuée sur un doublet géothermique impacté par un processus de colmatage biogéochimique. Cette campagne a permis d’identifier les composantes clés de la réactivité biochimique impliquée dans le colmatage : distribution du flux, hétérogénéité chimique et diversité microbiologique. A l’aide du code de calcul PHREEQC, un modèle géochimique simulant les cinétiques de précipitation observées a été développé. Il permet l’étude quantitative des mécanismes biogéochimiques favorisant l’apparition rapide du colmatage. Enfin, les retours d’expériences de l’exploitation des doublets sur nappes superficielles ont démontré le besoin d’une méthodologie fiable d’analyse des risques, permettant d’anticiper l’apparition des processus de colmatage à chaque étape de la vie du projet. Ainsi, à partir de la synthèse de la littérature scientifique et technique et des conclusions des études menées durant cette thèse, les facteurs de risques d’apparition des phénomènes de colmatage ont été déterminés. L’analyse des risques de colmatage intégrant ces différents facteurs a été implémentée à travers l’élaboration de méthodes développées sous Python 3. L’outil ARCADE (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) a été conçu d’une part pour évaluer le risque et d’autre part pour informer l’utilisateur averti des bonnes pratiques et moyens préventifs. Ces bonnes pratiques d’analyse et de gestion préventive sont présentées dans le dernier volet de cette thèse. / The sustainability of geothermal systems using shallow aquifers for heating, cooling and hot water production depends on the possibility to ensure, over long time-scales, the production and the reinjection of groundwater in the aquifer. Clogging of the geothermal loop is a major issue affecting the technical and economic viabilities of numerous operations in France. The understanding and prediction of this phenomenon requires new methods of characterization and modelling of biogeochemical processes coupled to the operation of geothermal loops in heterogeneous subsurface environments. This thesis is thus the result of a new collaboration between the Géosciences Rennes lab and Antea group to identify the mechanisms at the origin of clogging phenomena and characterize their controlling parameters, in order to establish a risk assessment tool allowing the anticipation of clogging processes. The first part of the thesis describes the main clogging processes (biogeochemical, chemical, biological and physical). This synthesis is the result of (1) the study of the literature dealing with the clogging of water wells and (2) our feedbacks on the geothermal doublets identified and studied during this thesis. The second part presents the regional inventories of shallow geothermal systems impacted by clogging problems identified in different hydrogeological contexts in France. These inventories provide a large-scale perspective of clogging phenomena and allow to study the contexts associated with each type of clogging processes. In the third part, new methodologies for the in-situ characterization of biogeochemical clogging phenomena linked to manganese and iron oxidation are presented through case studies of sites affected by clogging issues. These interdisciplinary studies couple the measurement of hydraulic properties, chemical element concentrations and bacterial diversity, to identify the specific issue impacting the operation and to define its causes. The fourth part presents the results of an interdisciplinary field campaign carried out on a geothermal doublet impacted by a biogeochemical clogging process. This campaign documented the key components involved in mixing induced biogeochemical reactivity: flow distribution, chemical heterogeneity and microbiological diversity. Using PHREEQC, a geochemical model simulating observed kinetics of precipitation was developed in order to quantitatively explore the biogeochemical mechanisms favoring rapid clogging. Feedback from shallow geothermal systems operation has demonstrated the need for a reliable risk analysis methodology that allowed to anticipate the apparition of clogging processes at each stage of the project life (part 5). From the synthesis of the scientific & technical literature and the conclusions of the studies carried out during this thesis, the risk factors for the appearance of clogging phenomena were determined. A clogging risk analysis integrating these factors was implemented through the development of methods developed under Python 3. The methodology of the ARCADE tool (Analyse des Risques de Colmatage et Aide à la Décision) is designed to assess the risk and to inform users of good practices and preventive methods. These good practices for analysis and preventive methods are presented in the last part of this thesis.

This thesis is an effort to investigate the operation and the performanceof modular multilevel converters (M2Cs). Proven to be the most promisingtopology in high-voltage high-power applications, it is necessary to put aneffort in understanding the physical laws that govern the internal dynamicsof such converters, in order to design appropriate control methods. AlthoughM2Cs belong to the well-studied family of voltage-source converters (VSCs),and claim a modular structure, their control is significantly more complicatedcompared to two- or three-level VSCs, due to the fact that a much highernumber of switches and capacitors are needed in such a topology. This thesishighlights the important parameters that should be considered when designingthe control for an M2C, through analyzing its internal dynamics, and alsosuggests ways to control such converters ensuring stable operation withoutcompromising the performance of the converter.Special focus is given on ac motor-drive applications as they are very demandingand challenging for the converter performance. Interactions betweenthe internal dynamics and the dynamics of the driven motor are experimentallyinvestigated. The problem of operating the converter when connectedto a motor standing still is visited, even under the condition that a greatamount of torque and current are requested, in order to provide an idea forthe converter requirements under such conditions. Finally, an optimization ofthe converter operation is suggested in order to avoid overrating the convertercomponents in certain operation areas that this is possible.All analytical investigations presented in this thesis are confirmed by experimentalresults on a laboratory prototype converter, which was developedfor the purposes of this project. Experimental verification proves the validityof the theoretical investigations, as well as the correct performance of thecontrol methods developed during this project on a real, physical converter,hoping that the results of this thesis will be useful for large-scale implementations,in the mega- or even giga-watt power range. / Denna avhandling är ett försök att undersöka drift och egenskaper avmodulära multinivåomvandlare (M2C:er). Eftersom denna topologi anses varaden mest lovande inom högspänings-högeffekt-tillämpningar är, och somett underlag för att kunna formulera lämpliga styrmetoder, är det nödvändigtatt lägga kraft i att försöka förståde fysikaliska lagar som styr den inredynamiken i sådana omvandlare. Även om M2C:erna tillhör den välstuderadefamiljen av spänningsstyva omvandlare (VSC:er), och har en modulärstruktur, är deras reglering avsevärt mer komplicerad jämfört med två- ellertre-nivåomvandlare, eftersom ett mycket större antal switchar och kondensatorerär nödvändiga i en sådan topologi. Denna avhandling sätter fingretpå de parametrar som måste beaktas när man konstruerar regleringen för enM2C, genom att analysera den interna dynamiken, samt att föreslå sätt attstyra sådana omvandlare såatt stabil drift kan säkerställas utan att negativtpåverka prestanda.Ett speciellt fokus läggs på växelströmsmotordrifter eftersom de är särskiltutmanande vad gäller prestanda. Växelverkan mellan den interna dynamikenoch motorns dynamik undersöks experimentellt. Problemet att driva motornvid stillestånd behandlas även i fallet med hög ström och högt moment för atterhålla kunskap om kraven påomvandlaren i sådana fall. Slutligen föreslås enoptimering av omvandlarens drifttillstånd för att undvika överdimensioneringav omvandlarens komponenter i de fall detta är möjligt.Alla analytiska undersökningar som läggs fram i denna avhandling är bekräftadegenom experimentella resultat från en laboratorieomvandlare, somutvecklats inom ramen för detta arbete. Den experimentella verifieringen bevisargiltigheten av alla teoretiska undersökningar. Den visar också på demycket goda prestanda som de utvecklade styrmetoderna har vid drift aven verklig fysisk omvandlare. Förhoppningen är att resultaten från detta arbetekan komma till använding i storskaliga implementerinar i mega- ellergiga-wattklassen. / <p>QC 20141201</p>

The thesis deals with the microstrip filter design using defected ground structure (DGS). The difference between standard asymmetric microstrip technique and DGS is in using the structures etched in the microwave substrate ground plane. The DGS resonant characteristics are then used in filter design. The thesis consists of three factual parts. The first one (chapter 4) introduces the use of the DGS resonators in the lowpass filter design. It involves experimental analysis of one type of the lowpass filter. The second part (chapter 5) deals with a novel microstrip lowpass filter design method using DGS. The proposed method is verified by simulations and several samples are realized and measured. Finally, the third part (chapters 7 and 8) deals with the bandpass filter design using specific defected ground structure as a resonator. The resonators are used in a coupled resonator structure. Filters of various orders and resonator configurations are designed and simulated. A combination of the DGS resonators and half-wavelength microstrip resonators is introduced as well. Selected samples are realized and measurement results are compared with simulations.

Decreasing energy consumption has become increasingly important in recent times due to climate change. The average temperature is increasing across the planet, and with it, an increase in droughts and other climate disasters can be seen. There are multiple ways to decrease energy consummation, and one of them is to regulate the light in a building. Much research has been done on light control aiming at offices and workplaces using a close loop system. However, even if those solutions work in a home environment, other solutions could offer a better solution. One solution could be using an open-loop system that senses the ambient light and decides to control the light based on that. An open-loop system’s benefit is that it may not need a sensor for each area like the closed-loop system needs, but the performance of such a system is unknown. Therefore, this thesis takes it upon itself to explore the open-loop system and compare it to a closed-loop system. The goal of the thesis is to compare the performance of the two systems and discover what differs in terms of usability for end-use and development. The results of the thesis are that the performance of the open-loop system does lack in comparison with the closed-loop system, but it is still in a usable range and could likely be improved. The usability of the open-loop system is also worse in terms of the end-use and development. The open-loop system needs further steps and parts to work satisfyingly compared to the closed-loop system. Further research would have to be done to answer if the open-loop system could work with only one sensor and solve other problems. A few solutions are suggested, but further research would be required to raise the open-loop system to a proper working system accessible for end-use. / Minskand konsumtion av energi har blivit allt viktigare på senare tider, på grund av klimatförändringar. Medeltemperaturen ökar över hela planeten och med det en ökning av torka och andra klimatkatastrofer. Det finns flera sätt att minska energiförbrukningen, ett av dem är att reglera ljuset i en byggnad. En hel del forskning har gjorts inom ljusstyrning som huvudsakligen syftar till kontor och arbetsplatser som använder ett öppen återkopplingssystem, men även om dessa lösningar fungerar i en hemmiljö så skulle andra lösningar kunna erbjuda bättre lösningar. En lösning skulle kunna använda ett system med öppen återkoppling som känner av det omgivna ljuset och beslutar sig att styra ljuset utifrån detta. Fördelen med ett öppet system kan vara att den kanske inte behöver en sensor för varje område som den stängda åtterkopplinge behöver, men prestandan för ett sådant system är okänd. Denna avhandling ta på sig att utforska det öppna systemet och jämföra det med ett slutet återkopplingssystem. Målet med uppsatsen är att jämföra prestandan mellan de två systemen, samt upptäcka vad som skiljer sig åt när det gäller användbarhet för båda slutanvändning och utveckling. Resultaten av avhandlingen är att prestanda för öppna återkopplingssystem är sämre i jämförelse med det slutna återkopplingssystemet, men det är fortfarande inom ett användbart område och kan troligsvis förbättras. Användbarheten av det öppna systemet är också sämre både vad gäller slutanvändning och utveckling. Det öppna systemet behöver ytterligare steg och delar för att fungera på ett tillfredsställande sätt jämfört med det slutet system. Ytterligare forskning skulle behöva göras för att svara på om ett öppet återkopplingssystem skulle kunna fungera med endast en sensor och andra problem. Några lösningar föreslås i uppsatsen, men ytterligare forskning skulle behövas för att utveckla det öppna systemet till ett väl fungerande system som kan användas för slutanvändning.