Ontwikkelink van een Spel

Stichting Leeuw vroeg aan DotX om een geoptimaliseerde versie van hun jaagsimulator te ontwikkelen. Deze simulator is een met kabels bediende manipulator die door een operator wordt aangestuurd. De operator ‘lok’ prooidieren om de manipulator te achtervolgen (met vlees). DotX heeft niet alleen nieuwe geoptimaliseerde besturingssoftware ‘op papier’ ontwikkeld, maar ook in de vorm van een spel. Een van de verbeteringen is de toepassing van ‘haptische feedback’. Dat betekent in dit geval dat de joystick tegenkracht geeft wanneer de manipulator een obstakel nadert.

Bijzonderheden: De spanning in de kabels wordt gegenereerd door een besturingsalgoritme dat bestaat uit twee delen. Het eerste deel berekent de gewenste spanningskrachten in drie loodrechte richtingen met behulp van 3 PID-regelaars (1 voor elke richting). Deze drie krachten worden vervolgens verwerkt via een spanningsverdelingsalgoritme in gesloten vorm, zoals beschreven in [1]. De haptische ondersteuning bestaat uit een terugduwkrachtveld rond vaste objecten (zoals muren en stenen in het gebied) dat wordt geschaald op basis van de tijd tot botsing, in de richting van de normaalvector die loodrecht staat op het botsende oppervlak.

https://www.instagram.com/p/BoqTWyJi5g2/?utm_source=ig_embed

[1] T. Lam et al, “Haptic interface in UAV tele-operation using force-stifness feedback”, 2009, IEEE.

Terug naar Projecten

Jaagsimulator

Stichting Leeuw asked DotX to develop an optimised version of their hunting-simulator. This simulator is a cable driven manipulator that is controlled by an operator. The operator ’teases’ prey animals to hunt the manipulator (with meat).

DotX has not only developed new optimized control software ‘on paper’, but also in the form of a game. One of the improvements is the application of ‘haptic feedback’. That means, in this case, that the joystick pushes back when the manipulator approaches an obstacel. The tension forces in the cables are generated by a control algorithm consisting of two parts. The first part calculates the desired tension forces in three perpendicular directions using 3 PID controllers (1 for each direction). These three forces are then processed through a tension distribution algorithm in closed-form as described in [1].

The haptic assistance consists of a push-back force field around fixed objects (like walls and stones in the area) that is scaled on the basis of time to collision, in the direction of the normal vector that is perpendicular to the colliding surface.

https://www.instagram.com/p/BoqTWyJi5g2/?utm_source=ig_embed

[1] T. Lam et al, “Haptic interface in UAV tele-operation using force-stifness feedback”, 2009, IEEE.

Visiesysteem

Het Camera Measurement System (CMS) is een hoogwaardig visionsysteem dat is gebouwd in samenwerking met Tebulo (www.tebulo.com). CMS kan nauwkeurig de 3D-coördinaten meten van zowel kleine als grote objecten.

Functionele beschrijving

Het CMS-systeem maakt gebruik van een laser (nummer 2) om een lijn (3) op een object (hier: de tennisbal) te projecteren. Vervolgens maakt het een foto met zijn camera (1).

De CMS-software detecteert vervolgens de punten van de laserlichtprojectie en berekent de exacte coördinaten van deze punten. Vervolgens wordt deze informatie verder verwerkt tot relevante gegevens. In het geval van een tennisbal kan CMS bijvoorbeeld de diameter meten.

Toepassingen

Toepassingen van het CMS-systeem omvatten:

  • Het meten van de locatie van het zwaartepunt van een stalen spoel
  • Bepaling van het aantal losse omwikkelingen van stalen spoelen
  • Telescopie (maten)
  • Banddikte
  • Bandprofiel

Specificaties

  • Nauwkeurigheid: +/- 0,5 mm
  • Meetafstanden van CMS tot object: 0,01 – 5,00 m
  • Software: gecodeerd in C++ Communicatie met externe hardware: Ethernet en Profibus

DNPC-regeling van de Nederlandse polder ‘Waterlandse Boezem’.

...

Er is een op maat gemaakte regelaar ontwikkeld voor de besturing van twee pompstations in de polder ‘Waterlandse Boezem’. De regelaar moest complexe aan/uit-vereisten vervullen en de pompende activiteit in de duurdere daguren minimaliseren. Een paper over dit onderwerp is gepubliceerd en kan worden gedownload in onze Paper-sectie. De video over dit onderwerp laat iteraties van de regelaar zien terwijl deze de optimale pompinstellingen vindt om het waterpeil (onderste grafiek) binnen de limieten (gestippelde lijnen) te houden. De bovenste grafiek toont de voorspelde “belasting” op de polder (dat wil zeggen, de verwachte instroom van water in de komende 24 uur).

Verbeterde O2-regeling van een afvalwaterzuiveringsinstallatie

Er is onderzocht of de O2 regeling van de BIO2000 kon worden verbeterd. Daartoe is eerst onderzocht hoe het voor regelingen essentiële gedrag kon worden gemodelleerd. Er is een veelgebruikt Active Sludge Model (ASM) gevonden in de literatuur, maar dit model bleek niet geschikt: gebleken is dat de O2 concentratie sterk afhankelijk is van de stromingsnelheid in de installatie en dit gedrag maakt geen deel uit van het ASM model. Deze stroomsnelheid wordt in belangrijke mate bepaald door de beluchters. Het proces gedrag (invloed van beluchters op O2) bleek redelijk te kunnen worden benaderd met een eerste orde overdracht in combinatie met een looptijd, waarbij de parameters afhangen van de beluchter-snelheid (dus uitsturing van de O2 regelaar). Gezien de lange looptijd, is gekozen voor een uitbreiding op de PI regelaar welke de looptijd ‘compenseert’. Dankzij deze compensatie kon de PI versterking sterk worden opgevoerd. Testen met de aangepaste regeling op de BIO2000 wijzen op een reductie in variatie van O2 met 80%.

Inleiding

In afvalwaterzuiveringsinstallaties is een nauwkeurige regeling van de O2-niveaus essentieel. Als de O2-niveaus te veel variëren, kunnen de bacteriën in de installatie hun werk niet goed doen, namelijk het omzetten van chemisch afvalmateriaal in nitriet en nitraat.

Modelering

Het meest gebruikte/bnekende model voor afvalwaterzuiveringsinstallaties is het Active Sludge Model (ASM). Hiervan bestaan meerdere veries, welk de meest relevante zuiveringsprocessen modelleren. Voor de zuurfstofconcentratie luidt het model [1,2]:

 V \frac{dO_2}{dt} Q_{in} O_{2,in} - Q_{uit} O_2 + K_a(u) \cdot (O_{2,sat} - O_2 ) - R

Waarbij:

 V = totale volume van het bassin [L]
 O_2 = Concentractie zuurstof [mg/L]
 O_{2,in} = Zuurstofconcentratie in influent [mg/L]
 O_{2,sat} = Verzadigingswaarde zuurstofconcentratie [mg/L]
 K_a = Zuurstof Overdrachts Coefficient [L/s]
 Q_{in}, Q_{uit} = In- en uitstroom van het bassin [L/s]
 R = Zuurstofopname [mg/L/s]

De stromingsverschijnselen bij afvalwaterzuiveringsinstallaties worden meestal niet gemodelleerd. Echter, voor de BIO2000 zijn deze verschijnselen min of meer dominant gebleken, aangezien er een aanzienlijke vertraging is tussen een regelactie en het effect ervan op de O2 – er is een grote ‘dode tijd’ aanwezig. Dit is het gevolg de lange weg die het water af moet leggen voor het bij de locatie van de O2 meting terecht komt. Deze dode tijd is daarom meegemodelleerd in de vorige vergelijking.

Regelaarontwerp

Als gevolg van de relatief lange dode tijd wordt een normale PID regelaar erg beperkt in zijn versterking. Er is een poging gedaan, om deze te verhogen, maar dat leide tot instabiel gedrag.

Smith Predictor

In dit geval ligt een Smith Predictor voor de hand. Het idee achter de Smith Predictor is om de bestaande PID regelaar te behouden, maar in plaats van het PID signaal te ‘voeden’ met de gemeten O2 concentratie, wordt een feedback signaal vanuit een voorspellend model gebruikt. Hierdoor kun je virtueel de sensor locatie verplaatsen, naar een locatie waar er geen dode tijd meer is. Dit zorgt er weer voor dat de versterkingsfactoren van de PID regelaar verhoogd kunnen worden, alsof er geen dode tijd zou zijn.

Implementatie in Allen Bradley

De Smith Predictor is geimplementeerd door Dotx Control Solutions op een Allen Bradley PLC, als een mix van ladder logic en function blocks.

Resultaat

De figuur hieronder toont gemeten resultaten van VOOR (met standaard PID) en NA (met Smith-predictor). Met behulp van de Smith Predictor heeft Dotx Control Solutions de variaties met ongeveer 80% weten te reduceren.



Referenties

[1]: Henze, M., Grady, C. J., Marais, W. G. G. & Matsuo, T. “Activated Sludge Model
No. 1”, IAWPRC Scientific and Technical Report No. 1, London, 1987.
[2]: Qian Chai, “Modeling, estimation, and control of biological wastewater treatment plants”,
Faculty of Technology, Telemark University College, Porsgrunn, Norway, April 5, 2008


Verbeterde regeling van papierpulp bij Crown van Gelder

...

Crown van Gelder is een papierproducent. Bij de productie van papier uit pulp moet het malen van de pulp worden uitgevoerd met minimale schommelingen, terwijl het pulppeil in de mixer (tank) binnen vaste grenzen moet blijven. DotX heeft het besturingssysteem in januari 2008 op een zodanige manier gewijzigd dat de malingschommelingen met meer dan 40% zijn verminderd. De onderstaande figuur toont (geschaalde) metingen.

MPC bij VDL

...

VDL Weweler is een producent van automotive veersystemen en assen. In 2010, na een haalbaarheidsstudie, kreeg DotX de opdracht van VDL Weweler om een Model Predictive Controller te implementeren voor een van de Weweler walking beam ovens. In januari 2011 was de controller operationeel. Er werd een gemiddelde vermindering van minstens 4,8% gemeten.

De onderstaande video toont de HMI (webinterface) van de ovenregelaar tijdens de productie bij VDL-Weweler terwijl deze in werking is op de VDL-Weweler oven (geen simulatie, daadwerkelijke productie). Elke blauwe balk vertegenwoordigt een stalen product. Elke gele balk toont de temperatuur van dat product. We hebben de afspeelsnelheid verhoogd.

Weweler is overgestapt van gasgestookte ovens naar elektrische ovens, en sindsdien is ons besturingssysteem niet langer in gebruik.

Besturing van een gasturbine die is verbonden met een hoogoven

...

In een hoogoven ontsnappen uitlaatgassen tijdens het proces van ijzerproductie. Deze gassen passeren onder andere door een gasturbine om elektrische energie op te wekken. Ideaal gezien wordt het vermogen van de turbine gemaximaliseerd, terwijl de druk in de hoogoven (die direct wordt beïnvloed door de gasturbine) zo constant mogelijk blijft. DotX heeft de processen gemodelleerd met behulp van een snelle grijze-box modelleringsmethode en op basis van het model verschillende wijzigingen voorgesteld voor het bestaande controlesysteem. De adviezen van DotX zijn geïmplementeerd en in bedrijf gesteld. Sindsdien produceert de gasturbine die is aangesloten op de hoogoven op 99% van zijn elektrische capaciteit.

Systeemintegratie voor onderzoek naar batch-kristallisatoren

Klant: ISPT, Nederland. ISPT, een afkorting van het Institute for Sustainable Process Technology, is een zogenaamd topkennisinstituut, dat wil zeggen een instituut waar grote en kleine bedrijven en universiteiten samenwerken en medegefinancierd worden door de Nederlandse overheid. In 2011 raakte DotX betrokken bij het ISPT-project PH-00-04, getiteld “Intelligente waarneming en regeling voor farmaceutische batchkristallisatie”. Het doel van dit project (waarin 12 bedrijven en kennisinstituten deelnemen) is het ontwikkelen en testen van verbeterde batchregeling. Dit doel moet worden bereikt door (1) de zaadtechniek te verbeteren, (2) het toepassen en testen van onlinemeettechnieken voor de distributie van kristalgrootte en voor de concentratie van de oplossing, en (3) het toepassen en testen van methoden om de groeisnelheid van kristallen en de kristalgrootte te regelen. Eind 2010 was een meetskid gerealiseerd met vier verschillende onlinemeetsensoren en een pomp om suspensies van kristallen te circuleren. Het meetskid kan via slangen worden aangesloten op elke batchreactor, zie de bovenstaande figuur. DotX heeft de software en computersystemen geïntegreerd in een controleplatform. Dit platform maakt een breed scala aan taken mogelijk, waaronder het realtime uitlezen van alle metingen, realtime trending van elke gemeten variabele, en onderzoekers in staat stellen algoritmen van elke complexiteit te programmeren in hun favoriete softwareomgeving (Matlab), om de batchvolgorde, zaaien en koelvloeistof tijdens een batch te regelen. Het controleplatform integreert in wezen een veelvoud aan software- en hardwareproducten verspreid over verschillende pc’s en PLC’s, met behulp van drie verschillende communicatieprotocollen.

Optimalisatie van de besturing voor ontzuring

...

Bij de productie van cokes voor ijzerproductie ontsnappen er ovengassen die gereinigd moeten worden. Een van de installaties om de gasvormige bijproducten te reinigen, is een ontzurings- en strippingsproces met meerdere destillatiekolommen, gevoed door cokesgas en stoom. De procesingenieurs van deze specifieke fabriek ontdekten dat het verminderen van de drukvariaties in de stoomtoevoer zou leiden tot verbeterde processtabiliteit, wat op zijn beurt zou leiden tot aanzienlijke kostenbesparingen. DotX kreeg de opdracht om de stabiliteit van de drukregellus(sen) te verbeteren. Eerst werd het bestaande besturingssysteem geanalyseerd en het stoomproces werd zorgvuldig gemodelleerd. De stoomdruk werd voornamelijk geregeld door twee afzonderlijke besturingssystemen, elk werkend op één klep. De ene voor het afvoeren van stoom en de andere voor het toevoeren van stoom. Elke klep vertoonde een niet-lineaire karakteristiek (dat wil zeggen, een niet-lineaire relatie tussen klepopening en stroom). Vervolgens werd er een nieuw op model gebaseerd besturingssysteem ontworpen en geïmplementeerd over drie PLC’s die met elkaar communiceren. Het nieuwe besturingssysteem vertoonde een opmerkelijke verbetering in drukstabiliteit, zie de onderstaande figuur (die geschaalde metingen toont): zodra de DotX Control-oplossing wordt geactiveerd, is de druk bijna constant; zodra deze wordt gedeactiveerd, neemt het oude besturingssysteem het over en vertoont de druk meer variaties. Deze DotX-controller is geactiveerd in augustus 2012 en sindsdien verloopt het ontzurings- en strippingsproces veel stabieler.

nl_NLDutch