Distributed generation for consumer applications is a relatively new field and it is difficult to satisfy both cost and performance targets. High expectations coupled with extreme cost cutting to compete with traditional technologies make converter design difficult. As power electronics mature more opportunities arise for entry into this lucrative area. An excellent understanding of converter dynamics is crucial in producing a well performing and cost competitive system. The six-switch single-phase inverter proposed in this thesis is a prime candidate for use in single households and small businesses. Its compact size and compatibility with existing electrical standards make its integration easy. However, little work is available on characterizing the system from a controls point of view. In particular balancing the two outputs with an uneven load is a concern. This thesis uses nodal and loop analysis to formulate a mathematical model of the six-switch single-phase inverter. A non-linear time invariant model is constructed for circuit simulation; details found in real circuits are added. A hardware-in-the-loop (HIL) configuration is used for more accurate simulation. In fact, its use makes for an almost seamless transition between simulation and hardware experimentation. A detailed explanation of the HIL system developed is presented. The system is simulated under various load conditions. Uneven loads and lightly loaded conditions are thoroughly examined. Controllers are verified in simulation and then are tested on real hardware using the HIL system. DC bus disturbance rejection and non-linear loads are also investigated. Acceptable inverter performance is demonstrated without expensive current sensors or high sampling frequency. / Master of Science

The behaviour of a large nuclear reactor can be described with sufficient accuracy using a nodal model, like the spatial model of a 540 MWe large Pressurized Heavy Water Reactor (PHWR). This model divides the reactor into divisions or nodes to create a spatial model in order to control the xenon induced oscillations that occur in PHWRs. However, being such a large scale system, a 72nd-order model, it makes controller design challenging. Therefore, a reduced order model is much more manageable. A convenient method of model reduction while maintaining the important dynamics characteristics of the process can be done by decoupling. Also, due to the nature of the system, decentralized controllers could serve as a better option because it allows each controller to be localized. This way, any control input to a zone only affects the desired zone and the zones most coupled with, thus not causing a respective change in neutron flux in the other zones. In this thesis, three decentralized controllers were designed using the spatial model of a 540 MWe large PHWR. A decoupling algorithm was designed to divide the system into three partitions containing 20, 27, and 25 states each. Reduced order sub-systems were thus created to produce optimal decentralized controllers. An optimal centralized controller was created to compare both approaches. The decentralized versus centralized controllers’ system responses were analyzed after a reactivity disturbance. A fail-safe study was done to highlight one of the advantages of decentralized controllers. / UOIT

The Ph.D. thesis is focused on using the fuzzy logic for control of a parallel manipulator based on a Stewart platform. The proposed mechanism makes possible to simulate the physiological movements of the human body and observe degradation processes of the cord implants. Parallel manipulators such as a Stewart platform represent a completely parallel kinematic mechanism that has major differences from typical serial link robots. However, they have some drawbacks of relatively small workspace and difficult forward kinematic problems. Generally, forward kinematic of a parallel manipulators is very complicated and difficult to solve. This thesis presents a simple and efficient approach to design simulation model of forward kinematic based on Takagi-Sugeno type fuzzy inference system. The control system of the parallel manipulator id based on state-space and fuzzy logic controllers. The proposed fuzzy controller uses a Sugeno type fuzzy inference system (FIS) which is derived from discrete position state-space controller with an input integrator. The controller design method is based on anfis (adaptive neuro-fuzzy inference system) training routine. It utilizes a combination of the least-squares method and the backpropagation gradient descent method for training FIS membership function parameters to emulate a given training data set. The proposed fuzzy logic controllers are used for the control of a linear actuator. The capabilities of the designed control system are shown on verification experiment.

Made available in DSpace on 2016-08-17T14:53:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Evandro de Carvalho Gomes.pdf: 6042842 bytes, checksum: 26caa437e6eddbd118b3278d1421a757 (MD5) Previous issue date: 2009-09-11 / In this work, we propose to analyze the controller design of a classical dc-dc converter in a different manner. Instead of the traditional mathematics transfer function analysis, we will describe the block diagram of the plant to be controlled using Space-State Averaging, decoupling the states effects one acts each other and designing the controllers individually. With this technique, we can obtain first order transfer function allowing easier synthesis and design of the involved controllers. Outcomes are compared to controllers based on K-factor approach which are entirely applicable in academy and industry environment. / Neste trabalho propomos analisar o projeto de controladores para conversores cc-cc clássicos de uma forma diferente da tradicional análise matemática da função de transferência, descrevendo o diagrama de blocos da planta a ser controlada, desacoplando os efeitos que um estado exerce sobre o outro e projetando os controladores individualmente. Com essa técnica, obtêm-se funções de transferências de primeira ordem o que permite um projeto e síntese mais fácil dos controladores envolvidos. Os resultados são comparados com os controladores baseados na abordagem do fator K, por se tratar de uma abordagem amplamente aplicada no meio acadêmico e industrial.

This thesis deals with complete design and manufacturing of autonomous two wheeled self-balancing robot. The goal of this thesis is to maintain the robot in up-right position and to follow black line using camera. The robot is controlled using Raspberry Pi and driven by DC motors. This thesis includes the design and implementation of hardware and software parts. Subsequently there was created the dynamic model in Matlab/Simulink. Based on this model, the LQR and PID controller was designed.

Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die breite Anwendung von Schwenkantrieben in vielfältigen konventionellen und neuen Technologiefeldern: In Windenergieanlagen führen Schwenkantriebe die Gondel samt Rotor der momentanen Windrichtung nach. Bei Radioteleskopen erlauben sie die hochpräzise azimutale Ausrichtung der Parabolantenne. Und im Sektor der Baumaschinen kommen sie zum Schwenken der Ausleger von Kranen und fördertechnischen Großgeräten zum Einsatz. Trotz des zunächst einfach erscheinenden Aufbaus der Schwenkantriebssysteme erweisen sich sowohl ihre mechanische Dimensionierung als auch ihre sichere Betriebsführung als herausfordernd. So belegen Messdaten und Betriebserfahrungen die Neigung der Antriebsstränge zu niederfrequenten Drehschwingungen. Außerdem treten große Spitzenlasten während der Schwenkrichtungsumkehr in den Getriebestufen auf. In diesem Forschungsbeitrag werden Methoden vorgestellt, mit denen elektromechanische Schwenkantriebssysteme modelliert, dynamisch analysiert und regelungstechnisch optimiert werden können. Dazu wird der schwingungsfähige mechanische Antriebsstrang eines Beispielschwenkwerks als detailliertes Mehrkörpersystem-Simulationsmodell abgebildet. Um auch Wechselwirkungen mit den elastischen Umgebungsstrukturen, der Antriebsregelung und den Betriebslasten zu erfassen, wird ein domänenübergreifendes Modellierungsvorgehen verfolgt. Es erfolgt eine messtechnische Validierung des mechatronischen Gesamtsystemmodells. Mit dem Vorliegen treffsicherer Systemmodelle eröffnet sich die Möglichkeit, ein modellbasiertes Mehrgrößenregelverfahren (LQG) auszulegen und simulativ zu erproben. Im Vergleich zur bisherigen proportional-integralen (PI) Antriebsregelung verspricht dies die aktive Dämpfung von Triebstrangschwingungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit. Um für beliebige elastische Antriebssysteme das Optimierungspotenzial abschätzen zu können, erfolgt ein systematischer Vergleich der beiden Regelstrategien. Anschließend wird ein praxisnahes Vorgehen zur Regelungsauslegung vorgestellt. Besonderer Fokus liegt neben der Robustheit auch auf der begrenzten Anzahl verfügbarer Sensoren bei industriellen Antrieben. Zudem wird auch das oftmals beträchtliche Getriebespiel als signifikante Nichtlinearität der Regelstrecke berücksichtigt. Um eine Reduktion der Spitzenlasten während der Drehrichtungsumkehr des Schwenkantriebes zu erreichen, wird abschließend ein Konzept zur zeit- und belastungsoptimierten Durchquerung des Getriebespiels erarbeitet. Da die konventionelle Drehzahlregelung des Schwenkantriebs hierbei nur um ein Zusatzmodul erweitert wird, bietet sich das Vorgehen insbesondere zur Ertüchtigung bestehender Antriebe an.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Konkretisierte Problemstellung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Forschungsstand 2.1 Modellbildung und Simulation von Antriebssystemen 2.1.1 Mehrkörpersystem-Simulation von Antriebssystemen 2.1.2 Modellbildung von Schwenkwerken 2.2 Anwendungsbereiche von Schwenkantrieben 2.2.1 Turmdrehkrane 2.2.2 Windenergieanlagen 2.2.3 Radioteleskope 2.2.4 Baumaschinen 2.3 Untersuchtes Beispielschwenkwerk 2.3.1 Antriebstechnik 2.3.2 Bisherige Untersuchungen an Schaufelradbaggern 3 Modellbildung und Simulation von Schwenkwerken 3.1 Mechanische Komponenten 3.1.1 Schwenkantriebe 3.1.2 Elastische Tragstrukturen am Getriebeausgang 3.1.3 Weitere Antriebsstränge des Gesamtsystems 3.2 Elektrische und informationsverarbeitende Domäne 3.2.1 Aktorik – Elektrische Antriebsmaschine 3.2.2 Informationsverarbeitung – Antriebsregelung 3.2.3 Informationserfassung – Winkelmesssysteme 3.3 Betriebslasten 3.3.1 Quasistatische Lasten 3.3.2 Simulation der bodenmechanischen Interaktion bei Schaufelradbaggern 3.4 Messdatengestützte Validierung der Systemmodelle 3.4.1 Beschreibung des Messaufbaus 3.4.2 Betriebsschwingungsanalyse 3.4.3 Validierung Schwenkwerk – Reversiervorgang 3.4.4 Validierung Gesamtsystem – Grab-Schwenk-Prozess 3.5 Ableitung eines mechanischen Minimalmodells 3.6 Zwischenfazit 4 Drehzahlregelung elastischer Antriebssysteme 4.1 Allgemeine Grundlagen 4.1.1 Führungs- und Störungsverhalten 4.1.2 Stabilität und Performanz 4.1.3 Singulärwertzerlegung von Frequenzgangmatrizen 4.2 Motor mit elastisch gekoppeltem Abtrieb 4.2.1 Proportional-Integrale Eingrößenregelung 4.2.2 Zustandsregelung 4.2.3 Generalisierter Vergleich der Regelungskonzepte 4.3 Erweiterung auf Mehrmotorenantriebe 4.4 Konzeption und Umsetzung einer Zustandsregelung 4.4.1 Auslegung eines optimalen Zustandsreglers 4.4.2 Rekonstruktion des Zustandsvektors bei Antrieben mit Verzahnungsspiel 4.4.3 Analyse des Gesamtkonzeptes 4.5 Zwischenfazit 5 Verzahnungsspiel in elastischen Antriebssträngen 5.1 Ursachen 5.2 Modellbildung 5.2.1 Klassische Modellierung als Totzone 5.2.2 Erweitertes Spielmodell nach Nordin 5.2.3 Hysterese 5.3 Auswirkungen 5.3.1 Antriebsstrangbelastung 5.3.2 Folgen auf Gesamtsystemebene 5.3.3 Zwischenfazit 5.4 Regelstrategien für spielbehaftete Antriebe 5.4.1 Lineare Eingrößenregelung 5.4.2 Mehrgrößenregelung – Zustandsraummethoden 5.4.3 Umschaltende lineare Regler 5.4.4 Modellprädiktive Regelung 5.4.5 Invertierung der Nichtlinearität 5.4.6 Zwischenfazit 5.5 Konzeption und Umsetzung einer Strategie zum lastminimierten Spieldurchlauf 5.5.1 Optimaltrajektorie zur Spieldurchquerung 5.5.2 Realisierung der Spieldurchquerung 5.5.3 Simulative Verifizierung 6 Zusammenfassung und Ausblick / The present work is motivated by the wide application of slewing drives and yaw drives in a variety of conventional and emerging fields of technology: In wind turbines, yaw drives track the nacelle and rotor according to the current wind direction. In radio telescopes, they enable high-precision azimuthal alignment of the parabolic antenna. And in the construction machinery sector, they are used to rotate the booms of cranes and bucket wheel excavators. At first glance the design of slewing drive systems seems to be simple, but their mechanical dimensioning as well as their reliable operation turn out to be challenging. Measurement data and operating experience show that the drive trains are prone to low-frequency torsional vibrations. In addition, large peak loads occur during reversals of the slewing direction. In this thesis, methods are presented for the modeling, dynamical analysis and control optimization of electromechanical slewing drive systems. Therefore, the mechanical drive train of an exemplary slewing gearbox unit is represented as a detailed multibody system simulation model. A cross-domain modeling approach is pursued in order to capture interactions with the surrounding flexible structures, the drive control and the operating loads as well. The resulting overall mechatronic system model is validated by measurement. The development of accurate system models enables a model-based multivariable control method (LQG) to be designed and tested by simulation. Compared to conventional proportional integral (PI) drive control, this promises active damping of drive train vibrations while simultaneously increasing the operating speed. To estimate the optimization potential for arbitrary elastic drive systems, a systematic comparison of both control strategies is performed. Subsequently, a practical procedure for designing the control system is presented. In addition to robustness, special focus is placed on the limited number of available sensors in industrial drives. Furthermore, the considerable gear backlash is also accounted for as a significant nonlinearity of the controlled system. To reduce peak loads during the reversal of the rotational direction, a novel approach for time- and load-optimized traversing of the gearbox backlash is developed. Since the conventional speed control algorithm is only extended by an additional module, the method is particularly suitable for retrofitting existing drives.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Konkretisierte Problemstellung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Forschungsstand 2.1 Modellbildung und Simulation von Antriebssystemen 2.1.1 Mehrkörpersystem-Simulation von Antriebssystemen 2.1.2 Modellbildung von Schwenkwerken 2.2 Anwendungsbereiche von Schwenkantrieben 2.2.1 Turmdrehkrane 2.2.2 Windenergieanlagen 2.2.3 Radioteleskope 2.2.4 Baumaschinen 2.3 Untersuchtes Beispielschwenkwerk 2.3.1 Antriebstechnik 2.3.2 Bisherige Untersuchungen an Schaufelradbaggern 3 Modellbildung und Simulation von Schwenkwerken 3.1 Mechanische Komponenten 3.1.1 Schwenkantriebe 3.1.2 Elastische Tragstrukturen am Getriebeausgang 3.1.3 Weitere Antriebsstränge des Gesamtsystems 3.2 Elektrische und informationsverarbeitende Domäne 3.2.1 Aktorik – Elektrische Antriebsmaschine 3.2.2 Informationsverarbeitung – Antriebsregelung 3.2.3 Informationserfassung – Winkelmesssysteme 3.3 Betriebslasten 3.3.1 Quasistatische Lasten 3.3.2 Simulation der bodenmechanischen Interaktion bei Schaufelradbaggern 3.4 Messdatengestützte Validierung der Systemmodelle 3.4.1 Beschreibung des Messaufbaus 3.4.2 Betriebsschwingungsanalyse 3.4.3 Validierung Schwenkwerk – Reversiervorgang 3.4.4 Validierung Gesamtsystem – Grab-Schwenk-Prozess 3.5 Ableitung eines mechanischen Minimalmodells 3.6 Zwischenfazit 4 Drehzahlregelung elastischer Antriebssysteme 4.1 Allgemeine Grundlagen 4.1.1 Führungs- und Störungsverhalten 4.1.2 Stabilität und Performanz 4.1.3 Singulärwertzerlegung von Frequenzgangmatrizen 4.2 Motor mit elastisch gekoppeltem Abtrieb 4.2.1 Proportional-Integrale Eingrößenregelung 4.2.2 Zustandsregelung 4.2.3 Generalisierter Vergleich der Regelungskonzepte 4.3 Erweiterung auf Mehrmotorenantriebe 4.4 Konzeption und Umsetzung einer Zustandsregelung 4.4.1 Auslegung eines optimalen Zustandsreglers 4.4.2 Rekonstruktion des Zustandsvektors bei Antrieben mit Verzahnungsspiel 4.4.3 Analyse des Gesamtkonzeptes 4.5 Zwischenfazit 5 Verzahnungsspiel in elastischen Antriebssträngen 5.1 Ursachen 5.2 Modellbildung 5.2.1 Klassische Modellierung als Totzone 5.2.2 Erweitertes Spielmodell nach Nordin 5.2.3 Hysterese 5.3 Auswirkungen 5.3.1 Antriebsstrangbelastung 5.3.2 Folgen auf Gesamtsystemebene 5.3.3 Zwischenfazit 5.4 Regelstrategien für spielbehaftete Antriebe 5.4.1 Lineare Eingrößenregelung 5.4.2 Mehrgrößenregelung – Zustandsraummethoden 5.4.3 Umschaltende lineare Regler 5.4.4 Modellprädiktive Regelung 5.4.5 Invertierung der Nichtlinearität 5.4.6 Zwischenfazit 5.5 Konzeption und Umsetzung einer Strategie zum lastminimierten Spieldurchlauf 5.5.1 Optimaltrajektorie zur Spieldurchquerung 5.5.2 Realisierung der Spieldurchquerung 5.5.3 Simulative Verifizierung 6 Zusammenfassung und Ausblick