liu.seSearch for publications in DiVA
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Modeling and Control of Friction Stir Welding in 5 cm thick Copper Canisters
2012 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudentuppsats (Examensarbete)
Abstract [en]

Friction stir welding has become a popular forging technique used in many applications. The Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company (SKB) evaluates this method to seal the 5 cm thick copper canisters that will contain the spent nuclear fuel. To produce repetitive, high quality welds, the process must be controlled, and today a cascade controller is used to keep the desired stir zone temperature.

In this thesis, the control system is extended to also include a plunge depth controller. Two different approaches are evaluated; the first attempt is a decentralized solution where the cascaded temperature controller is kept, and the second approach uses a non-linear model predictive controller for both depth and temperature. Suitable models have been derived and used to design the controllers; a simpler model for the decentralized control and a more extensive, full model used in the non-linear model predictive controller that relates all the important process variables.

The two controller designs are compared according to important performance measures, and the achieved increase in performance with the more complex non-linear model predictive controller is evaluated. The non-linear model predictive controller has not been implemented on the real process. Hence, simulations of the closed loop systems using the full model have been used to compare and evaluate the control strategies.

The decentralized controller has been implemented on the real system. Two welds have been made using plunge depth control with excellent experimental results, confirming that the decentralized controller design proposed in this thesis can be successfully used. Even though the controller manages to regulate the plunge depth with satisfying performance, simulations indicate that the non-linear model predictive controller achieves even better closed loop performance. This controller manages to compensate for the cross-connections between the process variables, and the resulting closed loop system is almost decoupled. Further research will reveal which control design that will finally be used.

Abstract [sv]

''Friction stir welding'' har blivit en populär svetsmetod inom många olika tillämpningar. På Svensk Kärnbränslehantering AB (SKB) undersöks möjligheten att använda metoden för att försegla de 5 cm tjocka kopparkapslarna som kommer innehålla det använda kärnbränslet. För att kunna producera repeterbara svetsar utav hög kvalité krävs det att processen regleras. Idag löses detta med en temperaturregulator som reglerar svetszonens temperatur.

I detta examensarbete utökas styrsystemet med en regulator för svetsdjupet. Två olika lösningar har utvärderats; först en decentraliserad lösning där temperatur-regulatorn behålls och sedan en lösning med en olinjär modellprediktiv reglering (MPC) som reglerar både djup och temperatur. Passande modeller har tagits fram och har använts för att designa regulatorerna; en enklare modell för den decentraliserade regulatorn och en utökad, komplett modell som används i den olinjära MPC:n och som beskriver alla viktiga variabler i processen.

Viktiga prestandamått har jämförts för de båda regulatorstrukturerna och även prestandaökningen med den olinjära MPC:n har utvärderats. Då denna regulator inte har implementerats på den verkliga processen har simuleringar av den kompletta modellen använts för att jämföra och utvärdera regulatorstrukturerna.

Den decentraliserade regulatorn har implementerats och testats på processen. Två svetsar har gjorts och de har givit utmärkta resultat, vilket visar att regulatorstrukturen som presenteras i rapporten fungerar bra för reglering av svetsdjupet. Trots att den implementerade regulatorn klarar av att reglera svetsdjupet med godkänt resultat, så visar simuleringar att den olinjära MPC:n ger ännu bättre reglerprestanda. Denna regulator kompenserar för korskopplingar i systemet och resulterar i ett slutet system som är nästan helt frikopplat. Ytterligare forskning kommer avgöra vilken av strategierna som kommer att användas i slutprodukten.

Place, publisher, year, pages
2012. 103 p.
Keyword [en]
Friction Stir Welding, Modeling, Control, Model predictive control, Depth control, Temperature control, Depth modeling, MPC, NMPC, FSW
National Category
Control Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-78748 (URN)LiTH-ISY-EX--12/4567--SE (ISRN)oai:DiVA.org:liu-78748 (OAI)
External cooperation
Svensk Kärnbränslehantering AB
Subject / course
Automatic Control
Presentation
2012-05-30, Signalen, Department of Electrical Engineering, Linköping University, SE-581 83 Linköping, Sweden, Linköping, 15:15 (Swedish)
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from2012-06-20 Created:2012-06-20 Last updated:2012-07-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(7054 kB)444 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7054 kBChecksum SHA-512
fb85563d1f4e52aa65499a96b45e1fa816e06e3d4ef2900950ac6d58efceb629bb9758cdb604737379ce7fb94676ccbffcf24882367101b629d0c9aeddeeeeb5
Typ fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Nielsen, Isak
By organisation
Automatic ControlThe Institute of Technology
Control Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 444 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available
Totalt: 589 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link