Active control of radial rotor vibrations in electric machines : identification, modeling and control design

This paper presents results related to modeling, identification, control design and simulation of an electric motor equipped with a new force actuator. The model consists of several partial models, thus separating certain physical phenomena into independent processes. The inputs and outputs of the models to be identified are strongly correlated. This makes the identification process significantly more complicated. Three different control algorithms are designed for the process. The performance of the control algorithms are tested against finite element models in extensive simulations. The paper concludes in description of preliminary test results with an actual test machine.reviewe

The Development of Immune Responses and Allergy in Children from Farming and Non-farming Environments

ABSTRACT Allergies have become a major public health problem in recent decades. Approximately 60 million people in Europe, and one billion worldwide, are affected by allergies. In Europe, approximately 30% of the population suffers from allergic rhinoconjunctivitis, approximately 20% from asthma, and 15% from allergic skin conditions. The farming environment has been shown to protect against allergies. In the present thesis, we studied the development of Immunoglobulin E (IgE) sensitization, allergic diseases, gut permeability and inflammation in children from farming and non-farming environments who participated in the PASTURE project (Protection against allergy: study in rural environments). Our results showed that early-age inflammation, measured with serum high-sensitivity C- reactive protein (hs-CRP) at the age of 1 year, was associated with decreased risk of IgE-sensitization at the age of 4.5 years. Our findings suggest that poor inflammatory response at infancy may predispose to IgE-sensitization. The allergy-protective effect of breastfeeding is debated. Our findings illustrated that increased breast milk soluble immunoglobulin A (sIgA) levels were associated with decreased risk of atopic dermatitis (AD) up to the age of 2 years. When the ingested dose of sIgA during the first year of life was considered, it was associated with decreased risk of AD up to ages of 2 and 4 years. Elevated sIgA levels in breast milk were associated with environmental factors indicating increased environmental microbial load. Serum immunoglobulin A (IgA) and immunoglobulin G (IgG) against cow s milk β- lactoglobulin (BLG) and wheat gliadin are induced by the antigen exposure, but the antibody levels are also affected by the gut permeability and inflammation. Elevated serum IgA or IgG antibody levels against BLG at the age of 1 year increased the risk of sensitization to at least one of the measured allergens or food allergens at the age of 6 years. Elevated levels of IgG against gliadin at the age of 1 year increased the risk of sensitization to any, at least one inhalant, or at least one food allergen at the age of 6 years. Our findings suggest that an enhanced antibody response to food antigens reflects alterations in mucosal tolerance, such as altered increased gut permeability and/or microbiota, which is later seen as sensitization to allergens. Fecal calprotectin is a marker of intestinal inflammation. We studied the association of early-infancy fecal calprotectin levels to the later development of allergic diseases in children from farming and non-farming environments, and further evaluated the effect of gut microbes on the levels of fecal calprotectin. Infants from a farming environment had higher levels of fecal calprotectin at the age of 2 months when compared to the infants from a non-farming environment. However, farming did not explain the very high levels of calprotectin, i.e. the levels above the 90th percentile. The infants with remarkably high fecal calprotectin levels at the age of 2 months, i.e. levels above the 90th percentile, had an increased risk of developing AD and asthma/asthmatic bronchitis by the age of 6 years. Infants who had high fecal calprotectin concentrations had less Escherichia in their feces. Our findings suggest that strong intestinal inflammation at early infancy represents a risk of allergic diseases, and the colonization with Escherichia coli is an important regulator of the inflammation implicating long-term health effects mediated by early intestinal colonization. In conclusion, the findings in this thesis show that the environmental microbial load plays an important role in the development of the immune system in infants and ultimately may affect the risk of developing allergic diseases. In addition to the direct effects on the infant, the effects of the environmental microbial load are also mediated indirectly through alterations in maternal milk composition. Interestingly, we found that an early intestinal inflammation is associated with the later risk of allergic diseases and gut colonization indicating a crucial role of gut colonization in the development of allergy. Keywords: Allergy, antibody, asthma, atopic dermatitis, farming environment, fecal calprotectin, IgE-sensitization, inflammation.TIIVISTELMÄ Viimeisten vuosikymmenten aikana allergioista on muodostunut huomattava terveysongelma. Arviolta 60 miljoonaa ihmistä Euroopassa ja miljardi ihmistä koko maailmassa kärsii allergioista. Jopa 30% eurooppalaisista kärsii allergisesta nuhasta ja siihen liittyvästä silmän sidekalvotulehduksesta, 20% astmasta ja 15% allergisista iho-oireista. Maatilaympäristöllä on havaittu olevan suojaava vaikutus allergioiden kehittymisessä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin IgE- herkistymisen, allergisten sairauksien, suolen läpäisevyyden ja tulehduksen kehittymistä maatilaympäristöstä kotoisin olevilla lapsilla ja lapsilla, jotka eivät asuneet maatilaympäristössä. Lapset osallistuivat PASTURE- projektiin (Allergiasuoja: tutkimus maatilaympäristöissä). Tuloksemme osoittivat, että varhaisen iän tulehdusvaste, joka määritettiin seerumista herkkä C-reaktiivisen proteiinin (hs-CRP) - mittauksella yhden vuoden iässä, liittyi lapsen alentuneeseen riskiin olla IgE- herkistynyt 4.5 vuoden iässä. Tuloksemme viittaavat siihen, että heikko tulehdusvaste imeväisiässä voi altistaa IgE- herkistymiselle. Rintaruokinnan allergioilta suojaava vaikutus on herättänyt paljon keskustelua. Tuloksemme osoittavat äidinmaidon kohonneiden liukoisen immunoglobuliini A (sIgA)- pitoisuuksien laskevan atooppisen ihottuman riskiä 2 vuoden ikään mennessä, kun taas lapsen ensimmäisenä elinvuotena rintamaidon sIgA:n kohonnut kokonaismäärä vähensi atooppisen ihottuman riskiä sekä 2 ja 4 vuoden ikään mennessä. Kohonneet sIgA- pitoisuudet äidinmaidossa liittyivät ympäristötekijöihin, jotka viittaavat korkeisiin mikrobimääriin. Seerumin immunoglobuliini A (IgA) ja immunoglobuliini G (IgG) lehmänmaidon β- laktoglobuliinia (BLG) ja vehnän gliadiinia vastaan muodostuvat lapsen altistuessa näille ruoka-aineille. Vasta-aineiden pitoisuuteen vaikuttavaa myös suolen läpäisevyys ja tulehdus. Lapsilla, joilla seerumin IgA- tai IgG- vasta-ainepitoisuudet BLG:tä vastaan olivat kohonneet 1 vuoden iässä, oli kohonnut riski olla herkistynyt vähintään yhdelle mitatulle allergeenille tai ruoka-allergeenille kuuden vuoden iässä. Kohonneet IgG- pitoisuudet gliadiinia vastaan 1 vuoden iässä lisäsivät herkistymisriskiä vähintään yhdelle allergeenille, vähintään yhdelle hengitysvälitteiselle ja vähintään yhdelle ruoka-allergeenille 6 vuoden iässä. Löydöksemme viittaavat siihen, että voimistunut vasta-aineiden tuotto ruoan antigeenejä vastaan liittyy limakalvon sietokyvyn muutoksiin, kuten suolen läpäisevyyden muutoksiin ja/tai muutoksiin mikrobipopulaatiossa, mikä havaitaan myöhempänä herkistymisenä allergeeneille. Ulosteesta mitattu kalprotektiini on suolitulehduksen merkkiaine. Tutkimme varhaisen iän ulosteen kalprotektiinin yhteyttä myöhempään allergioiden kehittymiseen lapsilla, jotka asuivat maatilaympäristöissä ja lapsilla, jotka eivät asuneet maatilaympäristössä. Tutkimme myös suoliston mikrobien vaikutusta ulosteen kalprotektiinipitoisuuksiin. Maatilaympäristössä asuvilla lapsilla oli korkeammat kalprotektiiniipitoisuudet verrattuna lapsiin, jotka eivät asuneet maatilaympäristössä. Maatilaympäristö ei kuitenkaan selittänyt erittäin korkeita kalprotektiinipitoisuuksia, eli 90 prosenttipisteen ylittäviä tasoja. Niillä lapsilla, joilla oli korkeat ulosteen kalprotektiinipitoisuudet 2kk iässä, eli pitoisuus yli 90 prosenttipisteen, oli kohonnut riski sairastua atooppiseen ihottumaan ja astmaan/ahtauttavaan keuhkoputkitulehdukseen 6 vuoden ikään mennessä. Korkea ulosteen kalprotektiinipitoisuus oli yhteydessä ulosteen Escherichia- bakteerien alhaiseen määrään. Tuloksemme viittaavat siihen, että varhaislapsuuden korkea suolitulehdus aiheuttaa kohonneen allergisten sairauksien riskin ja että varhaisella suoliston mikrobikolonisaatiolla on pitkäaikaisia terveysvaikutuksia. Johtopäätös tämän väitöskirjan tuloksista on, että mikrobikuorma varhaislapsuudessa muokkaa lapsen immuunivasteita ja allergisten sairauksien kehittymistä. Mikrobialtistus vaikuttaa suoraan lapsen immuunijärjestelmän kehittymiseen, mutta myös epäsuorasti äidinmaidon koostumusta, kuten liukoista IgA-pitoisuutta, muuttaen. Mielenkiintoista oli havaita, että varhainen suolitulehdus imeväisiässä näyttää liittyvän allergisiin sairauksiin ja suolen kolonisaatiolla voi olla olennainen vaikutus allergioiden kehittymiseen. Avainsanat: Allergia, astma, atooppinen ihottuma, IgE- herkistyminen, maatilaympäristö, tulehdus, ulosteen kalprotektiini, vasta-aine

Fungal Dysbiosis and Intestinal Inflammation in Children With Beta-Cell Autoimmunity

Although gut bacterial dysbiosis is recognized as a regulator of beta-cell autoimmunity, no data is available on fungal dysbiosis in the children at the risk of type 1 diabetes (T1D). We hypothesized that the co-occurrence of fungal and bacterial dysbiosis contributes to the intestinal inflammation and autoimmune destruction of insulin-producing beta-cells in T1D. Fecal and blood samples were collected from 26 children tested positive for at least one diabetes-associated autoantibody (IAA, GADA, IA-2A or ICA) and matched autoantibody-negative children with HLA-conferred susceptibility to T1D (matched for HLA-DQB1 haplotype, age, gender and early childhood nutrition). Bacterial 16S and fungal ITS2 sequencing, and analyses of the markers of intestinal inflammation, namely fecal human beta-defensin-2 (HBD2), calprotectin and secretory total IgA, were performed. Anti-Saccharomyces cerevisiae antibodies (ASCA) and circulating cytokines, IFNG, IL-17 and IL-22, were studied. After these analyses, the children were followed for development of clinical T1D (median 8 years and 8 months). Nine autoantibody positive children were diagnosed with T1D, whereas none of the autoantibody negative children developed T1D during the follow-up. Fungal dysbiosis, characterized by high abundance of fecal Saccharomyces and Candida, was found in the progressors, i.e., children with beta-cell autoimmunity who during the follow-up progressed to clinical T1D. These children showed also bacterial dysbiosis, i.e., increased Bacteroidales and Clostridiales ratio, which was, however, found also in the non-progressors, and is thus a common nominator in the children with beta-cell autoimmunity. Furthermore, the progressors showed markers of intestinal inflammation detected as increased levels of fecal HBD2 and ASCA IgG to fungal antigens. We conclude that the fungal and bacterial dysbiosis, and intestinal inflammation are associated with the development of T1D in children with beta-cell autoimmunity

Taajuusmuuttuvien Häiriöiden Mallipohjainen Optimaalinen Vaimennus

Vibration is a phenomenon related to every physical system that has the potential to cause severe problems that range from increased structural fatigue to potential operator health hazards. The traditional approach to solve the vibration related problems is to dissipate the vibration energy through the addition of passive damping elements consisting of springs,masses and dampers. Even though these methods have been widely applied in all branches of industry, they are becoming increasingly inadequate in meeting the industrial standards of today. In the past decade the significant increase in the available computational power has given arise to another approach to tackle the vibration related problems; namely the active control of vibrations, which is capable of meeting the tightened standards. In this approach, the vibrations are suppressed through the excitation of external energy in a suitable form into the system,resulting in the compensation of the vibrations. The use of this approach has enabled the mitigation of vibrations in very complex structures in a deterministic manner. The major benefit of the method is the change of the underlying design problem. Namely, the original structural design problem is converted into a standard control design problem, enabling the designer to use the very powerful tools of control theory. In this thesis, a novel method for active vibration mitigation is presented. The proposed approach shares many similarities with the existing model-based methods while addressing many of the drawbacks and problems encountered with the current approaches. The proposed method is a generic nonlinear control law capable in the simultaneous suppression of multiple tonal disturbances in multiple dimensions. The control design procedure is simplified such that the number of free parameters is minimal and the impact of these parameters on the process performance is transparent. Such an approach enables the method to be applied by an industrial system specialist with possibly very little experience in control theory, unlike what is the case with the most of the existing methods. In addition, the essential tools for the performance and stability evaluation of the obtained control law are presented in detail with the focus being in the problems commonly encountered in the practical implementation.This thesis consists of a summary and five publications with the focus being on the control design, performance analysis and test-bed implementation in several industrial processes. An extensive comparison of the proposed method against the existing linear control approaches is also included in this work.Värähtely on kaikille rakenteille tyypillinen ilmiö, jonka vaikutukset vaihtelevat rakenteiden lisääntyneestä väsymisestä ja kulumisesta mahdollisiin prosessin käyttäjän terveyshaittoihin.Perinteisesti värähtelyn haittavaikutuksia on pyritty vähentämään lisäämällä rakenteisiin jousista, vaimentimista ja massoista koostuvia vaimenninelementtejä, jotka sitovat värähtelyenergiaa. Vaikka näitä passiivisia vaimennusmenetelmiä on käytössä kaikkialla teollisuudessa, ne ovat yhä harvemmin riittäviä vastaamaan teollisuuden kasvaneisiin laatuvaatimuksiin. Viime vuosikymmenen aikana tapahtunut huomattava tietojärjestelmien laskentatehonkasvu on mahdollistanut tehokkaampien vaihtoehtoisten menetelmien käytön värähtelyjenvaimennukseen. Näihin menetelmiin lukeutuu myös aktiivinen värähtelyn vaimennus. Tämämenetelmä perustuu ulkoisen energian syöttämiseen prosessiin siten, että värähtelyenergia minimoituu, mikä osaltaan mahdollistaa hyvin ennakoitavissa olevan toiminnan myös erittäin monimutkaisissa järjestelmissä. Menetelmän suurin etu perustuu tarkasteltavan ongelman muuntamiseen rakenteiden suunnittelusta nk. perinteiseksi säätötekniseksi ongelmaksi, mikä mahdollistaa tehokkaiden säätöteoreettisten työkalujen täyden hyödyntämisen.Tässä työssä esitellään uusi menetelmä värähtelyjen aktiiviseen vaimennukseen, jolla on useita samankaltaisuuksia jo olemassa olevien menetelmien kanssa, kuitenkin siten, että suurin osa näiden sisältämistä ongelmista ratkeaa. Esitetty menetelmä on prosessista riippumaton yleiskäyttöinen epälineaarinen säätölaki, joka kykenee vaimentamaan useita häiriön taajuuskomponentteja monissa eri suunnissa samanaikaisesti. Lopullinen säätösuunnittelu muodostuu yksinkertaiseksi, jolloin vapaiden suunnittelumuuttujien määrä on mahdollisimman pieni ja joiden vaikutus prosessin toimintaan on selkeä. Tämä yksinkertaistettu lähestymistapa mahdollistaa menetelmän käytön myös sellaisen prosessisuunnittelijan toimesta, jonka säätötekniikan tuntemus on vähäinen, toisin kuin olemassa olevia menetelmiä käytettäessä. Työssä esitetään myös aihepiirin kannalta oleellisimmat analyysimenetelmät stabiilisuuden ja toimintatehokkuuden arviointiin,painopisteen ollessa käytännön sovelluksessa. Tämä työ koostuu tiivistelmästä sekä viidestä julkaisusta, joiden painopiste on säätösuunnittelussa, suorituskyvyn analysoinnissa sekä menetelmän soveltamisessa useassa erillisessä teollisuusprosessissa