Sähkökäytön mekaanisen systeemin reaaliaikainen identifiointi taajuus- ja aikatasossa

Sähkökäytöillä toteutettavat suorituskykyiset säätöratkaisut ovat avainasemassa puhuttaessa stabiileista tuotantoprosesseista ja korkeasta luotettavuudesta. Käytetyn säätöstrategian valinta ja viritys riippuvat prosessin ominaisuuksista sekä mekaanisesta yhteydestä itse prosessiin. Varsinkin tuotannossa ja robotiikassa säädön suorituskyvylle asetetut kriteerit, kuten hyvä tarkkuus, nopea dynamiikka sekä pieni herkkyys kuormituksen muutoksille ovat avainasemassa laadun ja jatkuvana toimivan tuotannon kannalta. Säädön suorituskykyä voivat kuitenkin heikentää monet ei-toivotut mekaaniset ilmiöt, kuten resonanssit, välys ja epälineaarisuudet. Jos järjestelmän mekaaninen malli tunnetaan riittävän tarkasti, voidaan ei-toivottuja mekaanisia ilmiöitä kompensoida tai niitä voidaan tarkkailla.

Tyypillisesti järjestelmät ovat monimutkaisia mekaanisia systeemejä, joiden rakenteet värähtelevät (resonoivat) kukin omilla ominaisvärähtelytaajuuksillaan. Värähtelevinä jousina toimivat esimerkiksi erilaiset voimansiirtoakselit ja -hihnat, sekä hitausmassoina moottorit, vaihdelaatikot, telat ja rullat. Järjestelmän mekaaninen malli voidaankin usein esittää riittävällä tarkkuudella mallintamalla moottori, kuorma ja joustava voimansiirtoakseli tai -hihna monimassajärjestelmänä. Muun muassa paperikoneiden mekaniikkaa mallinnetaan usein kaksimassajärjestelminä ja vastaavasti tuulivoimaloiden sekä hissikäyttöjen kolmimassajärjestelminä. Mallintamisen edellytyksenä kuitenkin on, että järjestelmän parametrit ja kertaluku tunnetaan. Tällöin tunnettuja ominaisuuksia voidaan hyödyntää liikkeenohjauksen säätimien optimaalisessa virityksessä ja kompensoinnissa.

Usein kuitenkin mallintaminen saattaa olla joidenkin järjestelmien tapauksissa ongelmallista johtuen tyypillisesti järjestelmän monimutkaisuudesta tai tuntemattomista parametreista. Lisäksi prosessit muuttuvat niille ominaisella tavalla tai ajan kuluessa esimerkiksi mekaanisien osien kulumisen takia. Tällöin järjestelmän parametrien tunnistamiseen on olemassa erilaisia lähestymistapoja ns. identifiointimenetelmiä. Hyödyntämällä identifiointimenetelmiä ja implementoimalla niitä sähkökäytön säätöketjun yhteyteen, voidaan prosessia ja sen dynamiikkaa tunnistaa sekä tarkkailla sähkökäytön avulla.

Niko Nevarannan väitöskirjassa esitellään identifiointimenetelmiä, jotka mahdollistavat mekaanisten resonoivien systeemien reaaliaikaisen tunnistamisen sähkökäytön avulla. Kehitettyjen menetelmien avulla voidaan analysoida systeemissä tapahtuneita mekaanisia muutoksia sekä täten tarkkailla säätimen suorituskykyä. Väitöskirjassa on havainnollistettu menetelmien suorituskyky sekä toimivuus kokeellisesti, joka mahdollistaa työssä esitettyjen identifiointimenetelmien soveltamisen vaativien liikkeenohjaussovellusten värähtelevien mekaanisten systeemien tarkkailuun tai automaattiseen säätimen viritykseen.

Diplomi-insinööri Niko Nevarannan sähkötekniikan alaan kuuluva väitöskirja 'Online Time and Frequency Domain Identification of a Resonating Mechanical System in Electric Drives' (Sähkökäytön mekaanisen systeemin reaaliaikainen identifiointi taajuus- ja aikatasossa) tarkastetaan perjantaina 7.10.2016 klo 12 Lappeenrannan teknillisen yliopiston (Lappeenranta University of Technology) ylioppilastalon auditoriossa. Vastaväittäjinä toimivat professori Ioan Doré Landau (GIBSA-LAB, Ranska) sekä professori Matti Vilkko Tampereen teknillisestä yliopistosta. Kustoksena toimii professori Olli Pyrhönen Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta.

Väitöskirja on julkaistu yliopiston Acta Universitatis Lappeenrantaensis -tutkimussarjassa numero 713. ISBN 978-952-265-995-8 ja ISSN 1456-4491. Väitöskirja on luettavissa Lappeenrannan teknillisen yliopiston LUTPub-tietokannassa osoitteessa url osoite. Väitöskirjan painetun version voi ostaa Aalef-kirjakaupasta, puh. 044 744 5511 tai kirjakauppa(at)aalef.fi sekä LUT Shopin verkkokaupasta osoitteessa https://lutshop.lut.fi.

 

Tietoja väittelijästä:

Nimi: Niko Nevaranta

Syntymävuosi ja -paikka: 1986, Noormarkku

Kotikunta: Lappeenranta

Koulutus: DI

Työsuhteet: Nuorempi tutkija, LUT