Postbus MB Eindhoven Telefoon (040) Bezoekadres Den Dolech AZ Eindhoven. 26 april Uitreiking Prijzen

Postbus 513 5600 MB Eindhoven Telefoon (040) 247 91 11 Bezoekadres Den Dolech 2 5612 AZ Eindhoven

26 april 2002

Uitreiking Prijzen

Uitreiking Prijzen Mignot-UFE/Océ-ASML

Voorwoord

De Technische Universiteit Eindhoven ziet het als haar taak om uitstekende academici op te leiden. Het gaat hierbij om ingenieurs, technologisch ontwerpers (MTD) en gepromoveerden. Aan ieder van deze categorieën worden prijzen toegekend. Dit wordt mogelijk gemaakt door de donateurs van deze prijzen: de familie Mignot, Océ en het universiteitsfonds UFE en ASML. Hiervoor ben ik hen namens de universiteit veel dank verschuldigd. Het slagen voor een diploma op zich is al een gelukswens waard. Het vervolgens genomineerd worden voor een daaraan verbonden prijs is helemaal bijzonder. Met het uitreiken van deze prijzen wil de universiteit uitdrukken hoezeer zij bijzondere prestaties waardeert. Prof.dr. R.A. van Santen Rector Magnificus

1

MIGNOT-Afstudeerprijs

Inhoud

Voor het beste afstudeerwerk en -verslag aan de TU/e

Mignot-Afstudeerprijs UFE/Océ-Ontwerpersprijs ASML-Promotieprijs

Mignot-Afstudeerprijs

pag.

3

Juryrapport ir. M.X. van den Broek ir. J. Vervoort ir. AM.W.T. Koot ir. J.W. Braat ir. H. Naus ir. P.J. Leenders ir. G.F.J. Aben ir. S.A. Duinkerke ir. S.A.L. Kentgens

pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag.

4 6 7 8 9 10 11 12 13 14

pag.

15

Design and Technology of Instrumentation Information and Communication Technology

pag. pag. pag.

16 18 19

Software Technology Mechatronic Design User-System Interaction

pag. pag. pag.

20 21 22

ASML-Promotieprijs

pag.

23

Juryrapport dr.ir. A.F.A. Serrarens dr.ir. B.G. Vroemen dr.ir. R.M. van Druten dr. A.P. Zwart dr. D.J. Breebaart dr.ir. R.N.A. Bekkers dr. Yan Keping M.Sc. dr.ir. H.A.J. van Dijk dr.ir. H.J.B. Jagt

pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag. pag.

24 26 27 28 29 30 31 32 33 34

Wiskunde en Informatica Werktuigbouwkunde Werktuigbouwkunde Technologie Management Technologie Management Bouwkunde Bouwkunde Scheikundige Technologie Elektrotechniek

UFE/Océ-Ontwerpersprijs Juryrapport drs. D. Badoux MTD ir. L.T.A. Sanders MTD ir. C.D. Manolache MTD en ir. M.F. Zelina MTD ir. A. Toma MTD Jun Hu MTD

2

Werktuigbouwkunde Werktuigbouwkunde Werktuigbouwkunde Wiskunde en Informatica Technologie Management Technologie Management Elektrotechniek Scheikundige Technologie Scheikundige Technologie

De Mignot-Afstudeerprijzen zijn in 1985 ingesteld. Deze prijzen worden jaarlijks uitgereikt aan de afgestudeerden aan de TU/e met het beste afstudeerwerk en -verslag uit het daaraan voorafgaande kalenderjaar. De prijzen worden beschikbaar gesteld door Mignot & De Block. De uitreiking vindt jaarlijks plaats ter gelegenheid van de Dies Natalis van de Universiteit. Iedere afgestudeerde aan een van de faculteiten van de Technische Universiteit Eindhoven kan meedingen, mits het ontwerp actueel, vernieuwend en relevant is voor een of meer bedrijven. Er zijn voor dit jaar negen afstudeerwerken genomineerd uit zes verschillende faculteiten.

3

MIGNOT-Afstudeerprijs

Jury-rapport 2002

De jury van de Mignot-Afstudeerprijzen heeft op 11 april 2002 vergaderd over de ingezonden afstudeerverslagen. In totaal zijn er negen verslagen voorgedragen, vanuit de faculteiten Bouwkunde (2), Werktuigbouwkunde (2), Wiskunde en Informatica (1), Technologie Management (2), Scheikunde (1) en Elektrotechniek (1). De jury heeft de verslagen beoordeeld aan de hand van de volgende criteria: - het afstudeerverslag dient vernieuwende en innovatieve elementen te bevatten; - het afstudeerverslag dient een goede theoretische onderbouwing te bevatten en van een toetsbaar goed wetenschappelijk niveau te zijn; - de resultaten van het afstudeerwerk moeten in principe publiceerbaar zijn in (internationale) wetenschappelijke vaktijdschriften; - het afstudeerwerk dient verricht te zijn met een grote mate van zelfstandigheid van de student; - het verslag dient duidelijk geschreven te zijn, bij voorkeur in de Engelse taal.

troduceerde nieuwe mechanisme als beste naar voren. Het afstudeerwerk bevat vele vernieuwende elementen, en heeft geleid tot uitstekende resultaten. Het onderzoek toont een fraaie balans tussen de stochastische modellering en mathematische analyse, met daaruit voortvloeiend numeriek werk. De verkregen resultaten vormen de basis van een door Philips aangevraagd patent, alsmede van twee artikelen in internationale wetenschappelijke tijdschriften. Een derde publicatie ligt bovendien in het verschiet. De omvang van het verslag (meer dan 300 pagina’s) is uitzonderlijk, en dit zou als een nadelig punt kunnen worden aangemerkt. Echter, het verslag bevat een veelheid aan nieuwe ideeën en resultaten, het is uitstekend geschreven en het vormt een goed samenhangend geheel. Eigenlijk is het afstudeerverslag een half proefschrift, en daarom komt het zeker de eerste prijs toe.

2e prijs

Op grond van deze criteria heeft de jury de Mignot-Afstudeerprijzen voor 2002 toegekend aan:

1e prijs Afstudeerhoogleraar: Afstudeerbegeleider:

Afstudeerhoogleraar: Afstudeerbegeleider: Ir. M.X. van den Broek, faculteit Wiskunde en Informatica titel: “On contention resolution procedures – Queueing analysis and simulation” prof.dr.ir. O.J. Boxma dr.ir. I.J.B.F. Adan

Ir. Van den Broek heeft gewerkt aan de stochastische analyse en optimalisering van protocollen voor het verzenden van berichten in Random Access kabelnetwerken. Dit afstudeerproject maakte deel uit van een groter project – het Pelican-project – waarbij naast de TU Eindhoven ook het onderzoeksinstituut EURANDOM en het Philips Natuurkundig Laboratorium betrokken zijn. Kabelnetwerken, die oorspronkelijk ontworpen zijn om analoge TV-signalen te versturen vanuit een centraal station naar verschillende woningen met televisies, worden tegenwoordig in toenemende mate gebruikt voor steeds meer vormen van digitale tweerichtingscommunicatie tussen individuele klanten/aansluitingen en de buitenwereld. Omdat deze netwerken bestaan uit één upstream kanaal en één downstream kanaal, waarover alle communicatie met het centrale station plaatsvindt, waarbij alle klanten binnen hetzelfde netwerk gebruik maken van hetzelfde kanaal, dient het verkeer goed geregeld te worden. Ir. Van den Broek heeft onderzocht hoe dit regelproces het beste kan verlopen. Hierbij lag de nadruk op het optimaliseren van het verwerken van individuele verzoeken voor dataverzending, maar ook het regelproces in zijn totaliteit is onderzocht. Voor het verwerken van individuele verzoeken is een nieuw protocol geopperd: het arrival-slot mechanisme. In vergelijking met twee in de praktijk veel gebruikte varianten kwam dit door Van den Broek geïn-

4

Ir. J. Vervoort, faculteit Werktuigbouwkunde titel: “Modelling machines for control system design” prof.dr.ir. J.E. Roorda dr.ir. J.M. van de Mortel-Fronczak

Ir. J. Vervoort heeft zijn afstudeerproject uitgevoerd op het gebied van machine-besturingssystemen binnen de groep Systems Engineering van de faculteit Werktuigbouwkunde. Bij het ontwerpen van machinebesturingssystemen wordt in toenemende mate gebruik gemaakt van methoden gebaseerd op simulatie. Daartoe zijn geschikte modelleerwijzen nodig, met name voor het modelleren van de te besturen machine, zonder in te gaan op het verband tussen het modelleerdoel (waar dient het model voor?) en de modelleertechniek (hoe ziet het model er uit?). In zijn afstudeerproject heeft ir. Vervoort dit verband grondig onderzocht en vertaald in een aantal goed bruikbare conceptuele raamwerken voor het ontwerpen van machinebesturingssystemen. De bruikbaarheid van de door hem geïntroduceerde raamwerken werd aangetoond in twee relevante case studies die betrekking hebben op het ontwerp van de TwinTape Feeder van Assembléon en op een chemisch analyseapparaat. De resultaten van het onderzoek van ir. Vervoort zijn beschreven in een duidelijk, systematisch opgezet afstudeerverslag en samengevat in een paper dat in mei 2001 bij een internationale conferentie werd gepresenteerd. Bovendien is een uitgebreide publicatie in een wetenschappelijk tijdschrift in voorbereiding.

prof.dr.ir. G.J.F. van Heijst voorzitter

5

Wiskunde en Informatica

ir. M.X. van den Broek

Werktuigbouwkunde

1e Mignot-Afstudeerprijs 2002

2e Mignot-Afstudeerprijs 2002

On contention resolution procedures Queueing analysis and simulation

Modelling machines for control system design

Hybrid Fiber Coaxial (HFC) kabelnetwerken werden oorspronkelijk ontworpen om analoge TV-signalen te versturen vanuit een centraal station (HE) naar ... verschillende woningen met televisie. Tegenwoordig worden deze zelfde HFCnetwerken gebruikt voor steeds meer vormen van digitale, bi-directionele communicatie tussen individuele klanten en “de rest van de wereld”. Een belangrijk Figure 1: In de figuur zien we een schematische gegeven is dat zo'n netwerk bestaat uit één zogenaamd upstream kanaal en één weergave van een HFC-netwerk. downstream kanaal waarover alle heengaande respectievelijk teruggaande communicatie met het centraal station plaatsvindt (zie figuur 1). Alle klanten binnen hetzelfde netwerk maken dus gebruik van hetzelfde kanaal. Het verkeer dient dus goed geregeld te worden door het centraal station. Wanneer een individuele klant informatie wil versturen moet de klant eerst via het upstream kanaal op een door het station opgelegd moment een verzoek indienen waarin deze vraagt om het upstream kanaal enige tijd alleen te mogen gebruiken. Wanneer de klant geluk heeft was hij de enige die op dat moment een verzoek indiende en kan de reservering direct plaatsvinden, maar in veel gevallen vragen meerdere klanten tegelijkertijd om capaciteit. Er is dan sprake van een botsing. Helaas kan het centraal station in geval van een botsing niet vaststellen wie er welke reservering wil plegen. Het enige wat het station ontvangt is ruis, waaruit slechts geconcludeerd kan worden dat er meerdere klanten tegelijkertijd een verzoek hebben ingediend. Kort daarna zal het station via het downstream kanaal aan alle klanten drie mogelijke tijdstippen aangeven waarop diegenen die betrokken waren bij de betreffende botsing wederom hun verzoek mogen versturen. De desbetreffende klanten kiezen zelf volkomen willekeurig één van deze drie aangeboden tijdstippen. Klanten die niet bij de botsing betrokken waren mogen afhankelijk van de regels wel of geen verzoek indienen op één van deze drie tijdstippen. Mogelijk ontstaan er weer botsingen op een of meerdere van deze tijdstippen. Dan wordt dezelfde procedure net zolang herhaald totdat alle verzoeken door het station zijn ontvangen. Deze gehele procedure wordt contention resolution genoemd en kan schematisch worden weergegeven in een contention tree (zie figuur 2). Het upstream kanaal wordt tussendoor ook gebruikt voor het daadwerkelijk verzenden van informatie, maar niet tegelijkertijd met het indienen van verzoeken. Het centraal station zal het upstream kanaal dus afwisselend moeten openstellen voor het ontvangen van verzoeken en voor het verzenden van informatie door individuele klanten.

Systems Engineering

Introduction Using simulation-based design, the machine control system can be designed based on a model of the physical machine.

real-world (design of) physical machine

modelled real-world physical machine modelling

GAP 1 modelling gap

The simulation-based design process involves a transition from reality to modelled reality and vice versa.

control design and modelling

simulation

Research objective This research focuses on the first transitional gap: the modelling gap. The objective is to develop a framework that: - identifies the modelling approach's aspects related to the modelling gap; - helps characterizing the modelling gap, and - supports determining the appropriate modelling gap.

model of physical machine

controlled system

GAP 2 implementation gap

satisfactory?

control implementation

model of controlled system

Modelling approach and gap Figure 2: Te zien is een voorbeeld van een ternaire contention tree.

The modelling gap is related to the model abstraction level. Ideally, the abstraction level is directly deduced from the modelling objective. In practice, the maximum level of detail that can be attained is determined by the available data, modelling and simulation tools, and the modelling techniques they support. Possible modelling objectives, modelling techniques, and modelling and simulation tools have been catalogued and categorized. Abstraction level

Data

Modelling objective

Characterizing the modelling gap The modelling gap can be characterized by: - the range of modelling objectives that can be served; - the model scope, behavioural scope, and accuracy, and - the model abstraction class. Figure 3: Te zien is de weergave van het arrival-slot mechanisme als wachtrijsysteem. Het gated mechanisme werkt een contention tree eerst in zijn geheel af, zonder hierbij nieuwe verzoeken toe te laten. Het non-blocked mechanisme laat voortdurend nieuwe verzoeken toe gedurende de contention resolution van een boom. Het arrival-slot mechanisme is een tussenvorm: periodiek worden momenten gereserveerd waarop uitsluitend nieuwe verzoeken mogen deelnemen aan de contention resolution. De huidige contention resolution wordt als het ware even onderbroken.

Door het upstream kanaal op een verstandige manier te gebruiken streeft het centraal station ernaar dat het verzenden van informatie door de klanten zo snel mogelijk verloopt. In het uitgevoerde onderzoek is bestudeerd hoe dit regelproces het best kan verlopen. In de praktijk worden momenteel twee varianten gebruikt voor het verwerken van de verzoeken: gated en non-blocked. Een nieuwe klasse van hybride mechanismen, de arrival- slot mechanismen genoemd, is voorgesteld en uitvoerig geanalyseerd (zie figuur 3) en vergeleken. Het arrival-slot mechanisme en enkele geopperde verfijningen hierop kwamen hierbij als beste naar voren. 6

ir. J. Vervoort

Modelling technique & Modelling & simulation tool

Influence

deductive limiting

Case studies In two case studies, multiple models of the same physical machine have been developed, compared, and reflected upon the developed framework. The diagrams on the right represent the simulation output of ten robot-arm models at different levels of abstraction.

Conclusions The developed framework meets the research objective stated above. Additionally, inspired by the framework, a new improved simulation-based design method has been proposed, governed by: - multiple models, at different levels of abstraction; - a high degree of model re-usability; - exploitation of multi-disciplinary synergy, and - the use of a hybrid modelling and simulation tool. 7

Werktuigbouwkunde

ir. M.W.T. Koot

Technologie Management

Identification and control of the RRR-robot

ir. J.W. Braat

What do we know: a concept of IT support for knowledge externalization and publication

Introduction

What do we know?

In modern industry, robot manipulators are used for a large variety of tasks. To obtain higher productivity and quality at lower costs, industry demands for robots that can achieve faster and more accurate motion.

Have you ever wondered what you know? In organizations where professionals are the most important assets it is valuable to manage the knowledge present. A large part of someone’s knowledge is tacit, difficult to communicate and knowledge is spread amongst different people. A first step is to make tacit knowledge explicit. This process is called externalization. Writing down what you know however is often not motivating and difficult and knowledge is often seen as a power base.

Improvement can be obtained by using advanced robot control strategies. To perform research on advanced robot control, an industrial-like robot arm with three rotational degrees of freedom is designed and installed at TU/e. This so-called RRR-robot is shown in Figure 1.

Research objective

Problem statement The purpose of this project is to implement and evaluate a variety of model-based control strategies in order to improve robot motion. These controllers use a dynamic model of the robot to compensate for nonlinear effects.

Figure 1: The RRR-robot

Identification High performance control requires an accurate robot model. In addition to the rigid body dynamics, knowledge about flexibilities in the construction is obtained by additional identification experiments.

Control The controller is an algorithm that computes the required motor torques based on the desired and the measured position and the dynamic model. The control strategy used here consists of two parts. Feedback linearization is used to compensate for the nonlinear rigid body dynamics. Linear outer loop controllers are designed that deal with the remaining dynamics. This is illustrated in Figure 2.

Figure 2: Feedback linearization-based control

Externalizing knowledge for the benefit of others plays a major role between experts and juniors. The study aims to: • Enable (junior) facilitators to learn from the experiences of other (more experienced) facilitators of electronic meetings; • By developing a motivating and effective externalization process; • And offering an accessible and structured knowledge reposition.

GSS supported externalization sessions Knowledge can be crystallized through dialogue, discussion and sharing experiences on a group level. Dynamic interaction enables the conversion from tacit to explicit knowledge. This process is facilitated by a Group Support System based on the following concepts: • Critical incidents force people to discuss real situations where tacit knowledge was used; • Focus: by asking “What do YOU know that your colleagues might NOT know?” participants are focused to discuss rare and tacit pieces of knowledge; • Key principles: expert tacit knowledge is organized around core concepts.

Results Knowledge collected in externalization sessions is combined and published in a tool on the Internet. Junior and expert facilitators’ opinions are measured in surveys. The study resulted in: • Modules to design new externalization sessions; • Motivated knowledge externalization of experts; • A measure to evaluate knowledge externalization; • Facilitator experience on the Internet; • 62 % of junior facilitators who stated they were able to increase the quality of their work with the offered experiences.

Results The tracking errors of ordinary PD-control and feedback linearization-based control are shown in Figure 3.

Conclusions • The RRR-robot exhibits undesired flexibilities. • Linear controller tuning is successfully applied on a nonlinear system with feedback linearization. • Tracking errors are reduced significantly compared with ordinary PD-control.

Figure 3: Control results 8

9

Technologie Management

ir. H. Naus

Bouwkunde

Commercialization of early-stage technologies

The assignment

Introduction

A remaining issue in the commercialization process used by Philips is the exploitation of research results or early-stage technologies that are not suitable for the core business of Philips. Philips formulated the assignment for my graduation project as follows: “Study the possibilities for commercialization of research results that are not in the core business of Philips and recommend an economically viable way to exploit these results.”

A lot of people think about slats of wood or aluminium when talking about louvre façades. But these kind of slats are in conflict with the current transparent architecture. This thesis is handling a research on glass louvre façades and tries to improve the building-physical aspects of these envelopes. The glass louvre façade is a double skin façade, where the external layer, the glass louvers, forms the shading device. In a closed situation the louvers will form an extra barrier to heat transmission losses.

The approach

Research

Opportunities for the commercialization of early stage technologies that are not in the core business are not well covered in literature. Therefore, I performed a benchmarking study and had a lot of interviews with people from different companies. This is how I received information and feedback about the models I developed.

Research has been carried out on the following subjects: • Failure mode and effect analyses of product development; • Building process versus façade building process; • Existing types of façades; • Louvre façades versus double skin façades; • Building-physical aspects of existing glass louvre façades. The building physical analyses pointed out that the louvre façade has a bad airborne sound insulation. In a solar shading position, perpendicular to the inclination of the sun, the louvres can be seen as “soundcatchers.”

Decision-making model The first decision that has to be made is whether the early stage technology can be further developed in one of the product divisions. When none of the product divisions is interested or it isn’t suitable for new business development, the technology can be regarded non-core. For all the non-core early stage technologies, a pre-screening should be done to abandon the technologies that don’t have any potential for the company or any other organization. For the non-core early stage technologies that do have potential a more accurate evaluation should be made to decide which commercialization method should be used. The most important options are: • Spin-out; • Licensing; • Selling. This decision making process is shown in the first picture.

Fig. 1: Louvre façades at Berlaymont Brussels

Preliminary design Figure 1

In order to improve the sound insulation of the louvre façade, two models had been designed, which repulse as well the heat of the sun, in terms of short-wave radiation, as the sound. The following models were designed: • An extra louvre connected to the existing louvre; • A model with a adjusted shape of the existing louvre.

Fig. 2: Test rig at the Laboratory for Acoustics

Testing Both models were developed in a scale-model 1:2 and tested on their sound insulating performance in the Laboratory for Acoustics at the Technical University of Eindhoven. The tests pointed out that both models had a significant improvement on sound insulation. The model with the extra model was chosen to further develop, because of a better overall sound insulation regarding different slat angles.

Evaluation model

Final design

An important part of the decision making process is the evaluation of the early stage technology. I developed a model for evaluating the technologies. The aim of this model is to structure the process of decision-making and use valuable data to base the decision on. The decision is based on experience and feeling regarding the technology, but cannot be a completely rational decision. Some data must be taken in consideration and therefore I selected twelve factors that are important to consider. These twelve factors are structured in a wheel and rated into categories. This wheel indicates the minimum requirements to justify a commercialization method. An example of the wheel for a spin-out project is shown in the second picture.

Fig. 3: Test outcomings

The final design is handling sound insulating glass louvers which can be easily connected to the aluminium frame of the existing louvres by means of an aluminium bracket. The design can be considered as an accessory for the existing glass louvre façade.

Conclusion

Figure 2 10

ir. P.J. Leenders

Glass louvre systems A potential improvement for the future

This thesis handles a clear and innovative approach to existing louvre façades and their buildingphysical aspects. The request of transparency of the louvre façade and solar shading aspects will give problems in the field of sound insulation. In this thesis a design has been made which meets the adverse demands of solar shading and sound insulation. This design can give a new impulse to the current façade architecture.

Fig. 4: Impression of the final design 11

Bouwkunde

Scheikundige Technologie

Regionale Forecasting ir. G.F.J. Aben

ir. S.A. Duinkerke

Vastgoed is slechts één van de beleggings-categorieën met een aantal karakteristieke eigenschappen die essentieel van andere beleggingsactiva en -markten verschillen. Eigenschappen zoals de illiquiditeit, de inefficiëntie en het niet-transparant zijn van de vastgoedmarkt in vergelijking tot de situatie bij de alternatieve beleggingsmogelijkheden in de effectensfeer, zorgen ervoor dat vastgoed als beleggingscategorie onder druk komt te staan. De ontwikkeling van bruikbare en betrouwbare forecasting-modellen en daarmee het inzicht in de verklarende factoren voor de behaalde financiële prestaties, kan een belangrijke positieve bijdrage leveren aan het vakgebied. Deze toename in transparantheid en professionaliteit van het totale vakgebied is een vereiste om als een volwaardige beleggingscategorie te kunnen blijven bestaan.

Introduction

Wanneer bestaande forecasting-onderzoeken naast elkaar worden gelegd, blijken deze elkaar op verschillende gebieden tegen te spreken. De belangrijkste oorzaak hiervan is terug te vinden wanneer de opbouw van deze onderzoeken vergeleken wordt met het algemene forecasting-proces. De eerste stappen binnen dit algemene forecasting-proces hebben betrekking op het definiëren van het probleemgebied en het analyseren van theoretische onderbouwingen die dienen voor het maken van aannamen. Deze stappen ontbreken in zijn geheel of in grote mate bij de bestaande onderzoeken. De aanname(n) zijn vaak gebaseerd op de aanwezigheid van datareeksen, eerder uitgevoerde onderzoeken of zelfs pure willekeur. Hierdoor ontstaat de situatie dat er uitspraken gedaan worden ten aanzien van bepaalde geselecteerde variabelen terwijl het totaal aan variabelen en de onderlinge relaties daarin, onbekend is. Zonder onderliggende theorieën kan geen inzicht verkregen worden in het totaalbeeld van de problematiek omtrent rendementsvorming, waardoor het onmogelijk wordt een verantwoorde selectie te maken van relevant geachte variabelen die bepalend zijn voor het rendement. Op basis van deze onderzoeken is het dan ook onmogelijk om het beleggingsbeleid op een verantwoorde wijze aan te passen, laat staan te verbeteren. Binnen het onderzoek “Regionale Forecasting” is een kader opgesteld dat inzicht biedt in het totaal aan rendementsbeïnvloedende variabelen en de onderlinge relaties daarin. Als uitgangspunt van dit kader is gestart met het opstellen van een noodzakelijke onderliggende theorie. Deze theorie heeft vervolgens als basis gefungeerd voor de ontwikkeling van een regionaal forecasting-model. Dit model biedt de mogelijkheid het beleggingsbeleid op een verantwoorde wijze op te stellen en/of de bestaande beleggingstrategie te verbeteren.

Ammonia oxidation on Pt catalyst in microreactors

In addition to the environmental and safety benefits of dealing with smaller quantities of material, microreactors offer a number of performance benefits. Probably the most important aspect is the high surface-tovolume ratio, which reduces diffusion pathways and therefore increases mass-and heat transfer characteristics. As a result, microreactors can be used with highly exothermic reactions such as the ammonia oxidation.

Experimental Work Obtain the highest selectivity to one of the reaction’s end products, N2O, by investigating: • three microreactor types and materials; • different Pt catalyst loadings; • experimental conditions.

Kinetic modelling

Kinetic steady-state modelling Parallel to the experimental work, a detailed literature study concerning the ammonia oxidation on a supported Pt catalyst resulted in a 19-step elementary surface reaction model. A sensitivity analysis was performed to identify essential steps in the kinetic surface reaction scheme. This gave a 13-step lumped model. By means of a FORTRAN regression subroutine, the reaction rate constants of the lumped model were fitted to describe the experimental results using an isothermal plug flow approximation. Validation of the assumptions was done by numerical simulation using the computational fluid dynamics (CFD) program FLUENT®.

Simulations on a cross-flow microreactor/heatex changer Based on the experimental observations and a global analysis of the thermal behaviour of the tested microreactors and their materials, the production of a cross-flow microreactor/heatexchanger was started in the TUE-workshop. This reactor-type consisted of a stack of foils, with a set of coolingchannels running perpendicular to the reaction channels. Simultanieously, a CFD-model was built of this cross-flow microreactor/heatex changer using the computer program FLUENT®. To minimise the temperature differences in the reaction wall channels and to decrease the overall transverse temperature difference, a flow profile was simulated in the cooling channels and optimised. Next, simulation trials were performed on how to obtain such a profile in the cooling channels using different in-and outlet pipe positions. To enhance the selectivity further, different geometries were simulated for the reactant’s inlet- and outlet pipes that resulted in a uniform residence time distribution of the reactants. This was also coupled with simulations on how to obtain this uniform distribution.

Cooling channels

Reaction channels

Conclusion Simulations on a cross-flow micro structured reactor/heatex changer showed that structured catalyst supports made of highly conductive materials are able to drastically limit the temperature gradients. Even in the case of strong exothermic reactions like the ammonia oxidation. By using a flow profile in the cooling channels an even more accurate control of the temperature is possible, which improves the overall N2O selectivity.

12

13

Elektrotechniek

ir. S.A.L. Kentgens

UFE/Océ-Ontwerpersprijs

Development of a Coronary Circulation Teaching Model

Introduction Ischemic heart diseases account for one third of all deaths in the western world. This disease is caused by a shortage of oxygen getting to the heart muscle, which can result in myocardial infarction (heart attack). The underlying pathology is often arteriosclerosis, which is caused by increased cholesterol deposits in the coronary arteries. Surprisingly, current medical training models lack simulation of the coronary circulation. This project is about developing a model of the anatomy, the physiology, and pathology of the coronary circulation. Simulation with this model will give the opportunity to teach about the origin of ischemia and its effect on the whole cardiovascular circulation.

Voor het beste ontwerp van het Stan Ackermans Instituut

De UFE/Océ-Ontwerpersprijzen zijn in 1994 ingesteld. Deze prijzen worden jaarlijks uitgereikt aan de beste ontwerpers van het Stan Ackermans Instituut uit het daaraan voorafgaande kalenderjaar. De prijzen worden beschikbaar gesteld door de Stichting Universiteitsfonds Eindhoven (UFE) en door Océ B.V. Fig. 1: Anatomy of the main coronary arteries

Anatomy of the coronary circulation The main coronary arteries (Figure 1) encircle the heart on the outermost layer of the heart wall, and give rise to smaller branches that penetrate into the myocardium where gas exchange takes place. Arteriosclerosis typically occurs in one of the main coronary arteries. To be able to simulate this, the heart wall is divided into several segments in accordance with the coronary tree. Hence, each heart wall segment is perfused by its own subcirculation. Currently, we distinguish between three compartments: the right ventricle, and both the innermost and outermost halves of the heart wall of the left ventricle.

De uitreiking vindt jaarlijks plaats ter gelegenheid van de Dies Natalis van de Universiteit. Iedere afgestudeerde ontwerper van een van de tweejarige post-initiële opleidingen van het Stan Ackermans Instituut kan meedingen, mits het technologisch ontwerp tot stand gekomen is in een ontwerpproject uitgevoerd ter afsluiting van een van de gecertificeerde ontwerpersopleidingen van het Stan Ackermans Instituut in opdracht van een externe opdrachtgever. Er zijn voor dit jaar vijf ontwerpprojecten genomineerd uit vijf ontwerpers-opleidingen en uitgevoerd bij verschillende opdrachtgevers.

Physiology and Pathology of the coronary circulation To simulate the coronary physiology, the following features need to be modeled: • The coronary hemodynamics; • The oxygen consumption of the cardiac muscle; • The oxygen supply to the cardiac muscle; • The main control mechanisms of the coronary circulation that ensure sufficient oxygen supply to the cardiac muscle for certain ranges of myocardial oxygen consumption and perfusion pressure; • The amount of oxygen buffered in the cardiac muscle; • Pathology of the coronary circulation; • Arteriosclerosis; • The occurrence of ischemia; • The effects of ischemia on the entire circulation. This is implemented by linking the coronary circulation model to an already existing cardiovascular circulation model (Figure 2).

Fig. 2: Block diagram of the cardiovascular circulation

Results and Recommendations The entire cardiovascular circulation model is implemented in software (Java) for testing purposFig. 3: es, and shows various physiological variables (flows, volumes, and pressures of the cardiovascular Some screenshots from the Java program circulation), and a cross-sectional view of the beating heart (Figure 3). According to physicians, the resulting graphs are remarkably realistic. To upgrade the coronary circulation model into an even more realistic teaching tool, the current model needs to be expanded; examples are the addition of more heart wall segments, the presentation of the electrical activity of the (ischemic) heart via ECG, and the reaction of the coronary circulation on both the concentration of carbon dioxide and the administration of certain drugs. 14

15

UFE/Océ-Ontwerpersprijs 2002

Jury-rapport 2002

De jury heeft Drs. D. Badoux MTD met zijn ontwerp: “Redesign of a Probe for Integrity Testing of Carbon Steel Objects” aangewezen voor de 1e UFE/Océ Ontwerpersprijs 2002. Dit project gaat over het herontwerpen van magnetisch-inductieve “probes” voor het meten van de wanddikte van leidingen en tanks. Het rapport behandelt drie typen waarvan er een volledig is herontworpen en gebouwd. Het is uitgevoerd bij Shell Research and Technology Centre te Amsterdam.

Alhoewel het uitgevoerde werk door de jury niet als een echt ontwerp gekarakteriseerd kan worden, heeft zij met genoegen de resultaten van de geslaagde zoektocht: een beter begrepen ontwerpprobleem, gelezen. Het zeer omvangrijke rapport is niet gemakkelijk toegankelijk: in het gehele verhaal wordt de lezer op een hoog abstractieniveau aangesproken. Het werk is uitgevoerd in een periode van vijftien maanden. Eindhoven, 26 maart 2002 De jury voor de UFE/Océ-ontwerpersprijs:

De jury vindt dit werkstuk een voorbeeldig exemplaar van een ontwerp binnen de strenge beperkingen die een herontwerp-opdracht met zich meebrengt. De ontwerper geeft er blijk van dat hij de praktijkproblematiek van het eerdere ontwerp daadwerkelijk heeft verwerkt. De Drs. Badoux MTD is iemand die gemotiveerd is door de bruikbaarheid van het resultaat en niet door de knapheid van het werk. Dit, gepaard aan een gezonde dosis realisme bij zowel opdrachtgever als uitvoerder, heeft geresulteerd in een herontwerp dat voldoet aan de gestelde eisen.

Prof.dr.ir. A.C.H. van der Wolf, voorzitter Dr.ir. A.H.M. Habets, Océ Technologies B.V., lid Ir. W.J. Hendriksen, Route 67, lid Ir. M.J.C.M. Smeets, Nederlandse Spoorwegen, lid

Het project is planmatig en gefaseerd uitgevoerd. De jury heeft respect voor de goede balans tussen specificaties en levertijd die de Drs. Badoux MTD in zijn ontwerpgang tentoonspreidt. Het verslag is compact maar geeft een volledig beeld van het (her)ontwerpproces. Het project is uitgevoerd in een periode van twaalf maanden.

De jury heeft Ir. L.T.A. Sanders MTD met zijn ontwerp: “Towards a virtual print engine: exploring co-specification of mechatronic systems” aangewezen voor de 2e UFE/Océ Ontwerpersprijs 2002. Het project – uitgevoerd bij Océ-Technologies B.V. te Venlo – gaat over een modelontwerp om virtueel de engine units van een printer-systeem te simuleren om onafhankelijke parallelle ontwikkeling van subsystemen te ondersteunen zonder dat daarvoor fysieke engine-prototypes nodig zijn. De werkzaamheden representeren een zoektocht naar een betere manier van samen ontwerpen van een complex systeem waarbij grote aantallen deelnemers van uiteenlopende disciplines betrokken zijn. Het ambitieuze idee dat Ir. Sanders MTD in het begin van zijn werk ontvouwt, wordt – met instemming van de opdrachtgever – teruggebracht tot een kleine stap in het realiseren van een engine-simulator. Daarnaast is een goede analyse uitgevoerd van de co-designproblematiek waarbij voorstellen voor een verbeterde aanpak worden gegeven. Concreet wordt aanbevolen om in de vroege productontwikkelfase het zwaartepunt te verleggen van co-design naar co-specification om zodoende een gedegen basis te leggen voor de multi-disciplinaire ontwikkeling.

16

17

Design and Technology of Instrumentation

drs. D. Badoux MTD

UFE/Océ-Ontwerpersprijs 2002

UFE/Océ-Ontwerpersprijs 2002

Redesign of a Probe for Integrity Testing of Carbon Steel Objects

Towards a virtual print engine unit: exploring co-specification potential in development of mechatronic systems

ir. L.T.A. Sanders MTD

Introduction

Introduction

Inspection is vital to guarantee the safe and continued operation of pipes and structures in the petrochemical industry, where failure could be potentially catastrophic. Shell Global Solutions, part of the Royal Dutch/Shell Group, puts much effort into the development of new and improved methods of inspection. One such method is PEC, which is short for Pulsed Eddy Current. PEC is a magnetic technique to measure the thickness of a steel object without the need for contact between the steel and the sensor (PEC probe). PEC can therefore inspect pipes and structures through insulation (weather protection, fire protection or coating) without its costly and labour-intensive removal.

Océ-Technologies B.V. is a document solutions provider. Among its capabilities is the development of embedded systems, which consist of several units. Figure 1 illustrates four units as are typically identified in the company’s cut-sheet network copiers. Original goal of the design assignment was to enable controller unit testing against a virtual print engine unit, thus reducing the need for scarce and expensive physical unit prototypes. Essential development requirement for the virtual unit is that it must express more or less realistic print behaviour. It is to be implemented as a simulator, based on an object oriented, executable unit behaviour model.

Project Dave redesigned the two PEC probes that Shell Global Solutions used. It was foreseen that enhancing the performance of these two probe could lead to improved results on existing inspections and could increase the number of applications. All of the functions that the probes performed were identified and a range of alternative solutions was drawn up. The re-design involved electromagnetics and electronics as well as mechanics and ergonomics. The result of the re-design was a series of three new probes that together more than double the range of the existing probes, replacing them on all current applications.

Implementation An application of one of the new PEC probes is the inspection of storage sphere legs for Liquefied Petroleum Gas (LPG). In many African countries, LPG is the main energy source for cooking and heating. It is stored in large 12-meter diameter spheres, each roughly containing a day’s supply for a city like Tunis (population about 1 million). The support legs of these spheres are carbon steel pipes surrounded by a thick concrete layer for fire protection. Hidden corrosion takes place under this layer and causes the support legs to weaken, and possibly fail in an extreme case. With the new and more powerful PEC-probe the condition of the support legs is successfully determined through the concrete layer, which can be up to 300 mm thick.

18

Information and Communication Technology

Design

Figure 1: units and basic user data flows in a cut-sheet network copier.

A “complete” model can serve many different stakeholders, but requires much development effort. Hence, the assignment was eventually restricted to development of a timed conceptual model of the interactions between sheets and mechanical elements in and along a print engine unit's paper path, using the specification tool SHEsim. Subsequently, Rose RT’s suitability for development of such models was evaluated briefly. Future efforts to complete the model and its building blocks are best guided by a corporate roadmap for a set of development projects. Individual projects can then make balanced contributions. During execution the assignment has evolved into an exploration of overall engine unit development process requirements and feasibility of co-design (as opposed to plain concurrent design) with respect to integration of mechanical engineering contributions. Comparison of several design process descriptions has led to the perception that such integration can currently be feasible for early development stages only. A partial co-design flow proposal is made, but it has not been implemented yet. The proposal is illustrated in figure 2.

Conclusions When using system level co-specification in early development stages, co-design of embedded mechatronic systems is expected to enable better cross-disciplinary partitioning and integration. Even though only partial integration of design flows is achieved by implementation of the proposal, the partial co-design flow should already result in a shorter time-to-market and reduced development effort requirements. However, it requires that dominance of traditional mechanical engineering design process characteristics be eliminated. This implies a significant change in the existing development culture. A limited scale (e.g. function level) pilot is recommended.

Figure 2: proposal to realise a co-design process in product design phases 1 and 2. 19

Software Technology

ir. C.D. Manolache MTD

ir. M.F. Zelina MTD

Mechatronic Design

In-home Network Simulation Framework II

“In-home network simulation framework II” is the second part of a project conducted at Philips TASS with the purpose of investigating the usefulness of the Sun Microsystem’s Jini communication platform for implementing in-home networks. An in-home digital network is a network of household devices that are able to communicate with each other and work together. A prime example of an in-home network is stringing together all audio and video devices at home. The consumer can then control them using a remote control, play the TV soundtrack on the stereo set, or program the VCR through the TV. Or he can display a list of songs from a CD onto the TV screen and then select the ones he wants to listen to, all of this using the remote control. An unlimited number of devices of the same type can be supported in this network and they can be controlled either by targeting them with a remote control or by importing their graphical user interface on devices offering sufficient display capabilities. Continuing the work that has been done in the previous phase of this project by Natalia Belousova, a former OOTI graduate, this phase consisted of extending the previous simulation framework by adding audio/video stream transfer and state management capabilities, as well as general (downloadable) services which are to be distributed over the entire in-home network. Five devices with full functionality (TV, VCR, audio system, remote control and a digital cable connection in the house) have been implemented in order to demonstrate the abilities of the improved framework. They form a flexible and extensible network offering various possibilities for interaction and collaboration between the devices. Because the target user of the in-home network is an average user, special requirements were imposed on it, such as: no need for a central administrating device, the capability to add or remove devices seamlessly, without any configuration needed for the network itself, reliability, etc. In order to increase the extra-added value for the user (besides having devices communicating with each other) another extra feature required that devices must be able to store their state at a certain moment (when turned off, when removed from the network, etc) and be able in some situations to pass their state to a device of the same type. In fact, each device participating in the network can be built in such a way that it is able to interact with any other (to control or to be controlled by another device and to exchange information). An important issue is how a device would be able to interact with devices which are not yet created or how devices are able to support any application that are developed after the device is created. Therefore, a relatively simple and flexible interaction standard has been created.

20

ir. A. Toma MTD

Active vibration damping of water chuck: a feasibility study

Introduction In high-precision motion systems, such as wafer scanners, electron microscopes and robots, mechanical vibrations become more and more important, due to increasing performance requirements. The allowable vibration amplitudes and settling times become smaller as the accuracy and the throughput requirements increase.

Design The feasibility study, focuses on building up knowledge of and experience with the technology of using the “d31-effect” of piezoelectric material to damp the internal vibrations of the system. The investigation starts by specifying the mathematical relations that describes the piezoelectric “d31-effect” and particularising these relations for the actuator and sensor situation. The two vibration modes of the system, targeted by damping, are investigated by building and using a simplified FEM model of the system. An experimental set-up has been realised to investigate the practical use of the active vibration damping of the system. The piezosensors and piezoactuators were glued at the identified positions. Finally, the experiments were carried out on the system by measuring the frequency response functions (FRFs) between the piezoactuators and piezosensors, designing the feedback control loop to achieve damping and then evaluating the achieved performance by comparing the FRFs between Lorentz forces and acceleration with control off and control on.

Conclusion The damping increased with 20 dB (by ten times) for the first vibration mode and with 8 dB (by three times) for the second vibration mode, measured on the frequency response functions between the external forces and the acceleration. The advantages of the added damping at the resonance modes are the reduction of the position measurement errors of the wafer due to internal deformations, the possibility to make the system more compliant (thus reducing costs) and the possibility to increase the bandwidth of the positioning servo loop. The fact that the modes can be damped allow a more compliant system to be designed. As a consequence, the resonance frequencies will decrease, but because the modes are more damped, the bandwidth of the positioning servo loop can be maintained without endangering the stability. If the resonance modes are damped for the same system, the performance of the positioning servo loop of the short stroke actuators can be improved by increasing the bandwidth without endangering the stability.

21

User-System Interaction

Jun Hu MTD

ASML-Promotieprijs

Distributed interfacesfor a time-based media application

Introduction The concept of Ambient Intelligence refers to electronic environments that are sensitive and responsive to the presence of people. In this vision, people’s homes will consist of many networked devices with which people can interact in a natural and intuitive fashion. The home will play interactive timed media and engage people in a more immersive experience than just watching television programs. This vision introduces many interesting research topics in the domains of user interface architectures and media documentation. In this project a generic framework was developed for presenting interactive media to a networked environment. In particular, a media documentation method was designed to enable the authoring of interactive media for a variety of destination environments, and a generic interface architecture was designed to enable the playing of interactive media in a networked environment.

Design

Voor het beste proefschrift/-ontwerp

De ASML-Promotieprijzen zijn in 1997 ingesteld. Deze prijzen worden jaarlijks uitgereikt aan de beste gepromoveerden aan de TU/e uit het daaraan voorafgaande kalenderjaar. Er worden twee prijzen beschikbaar gesteld door ASML. Eén voor de categorie “meer toegepast onderzoek” en een voor de categorie “technisch fundamenteel onderzoek”. De uitreiking vindt jaarlijks plaats ter gelegenheid van de Dies Natalis van de Universiteit. Iedere gepromoveerde aan een van de faculteiten van de Technische Universiteit Eindhoven kan meedingen, mits het onderzoek innovatief, breed, toegankelijk en maatschappelijk relevant is. Er zijn voor dit jaar negen proefschriften/-ontwerpen genomineerd uit vijf verschillende faculteiten.

The carrier for this work was the development of an interactive storytelling application (named TOONS) for children (age 8-12) in the NexTV project *. A user-centered methodology was used for the fine-tuning of the requirements. Based on these refined requirements, a conceptual design of the interactive story was developed and used as input for the system design. The design and implementation of the system followed the Object-oriented methodology. The interactive story is structured in StoryML, an XML-based content documentation language. StoryML is defined as a solution for interactive story documentation, in which appropriate elements, i.e., <environment>, , are designed for the description of a desired environment in which many self-contained and standalone devices are involved. The StoryML player makes use of the PAC-based (Presentation-Abstract-Control) architecture, which emphasizes the independence of these devices and the communications between them. In this architecture, MediaClock and event based mechanisms are designed for the media and interaction synchronization. An experimental system, namely iStory, was implemented in which the interactive content was presented on a PC as well as on a robotic toy to create an intuitive and playful interaction for children.

Conclusion The design of StoryML allows (1) the separation of the content description from the concrete physical devices, (2) definition of abstract media objects, and (3) automatic mapping of the same document to different environments. StoryML can serve as a basic framework for presenting interactive timed media in a networked environment. *

22

Philips Research is the Project Leader of the NexTV project, NexTV is an IST project partly sponsored by the European Union.

23

ASML-Promotieprijs

Jury-rapport 2002

De jury voor de ASML promotieprijzen — één in de categorie “Fundamenteel onderzoek” en één in de categorie “Toepassingsgericht onderzoek” — heeft zich gebogen over een aantal reeds door de faculteiten voorgeselecteerde proefschriften. De inzendingen waren ook dit jaar weer van hoge kwaliteit (sommigen met het predikaat “cum laude”) en ditmaal met een grotere bijdrage in de toepassingsgerichte categorie, hetgeen indirect demonstreert dat ontwerpen in de ingenieurswetenschappen een prominente plaats opeist. De belangrijkste criteria die de jury zoals voorheen gehanteerd heeft zijn: • • • • •

De wetenschappelijke kwaliteit De creativiteit De toegankelijkheid Breedte en bruikbaarheid (maatschappelijke relevantie) Presentatie en vormgeving

Op grond van deze toetsstenen zijn de volgende winnaars uit de bus gekomen: In de categorie Fundamenteel onderzoek gaat de prijs naar dr. A.P. Zwart met een proefschrift getiteld “Queueing Systems with Heavy Tails” van de faculteit Wiskunde en Informatica met prof.dr.ir. O. Boxma en prof.dr.ir. S.C. Borst als promotoren. Opvallend waren met name de wetenschappelijke kwaliteit van het werk, ondermeer met de presentatie van de oplossing voor een al lang openstaand probleem, en de bruikbaarheid van de theoretische resultaten bijvoorbeeld in de planning van internet-communicatie. De prijs voor de categorie Toepassingsgericht onderzoek gaat naar deze keer niet slechts naar één persoon, maar naar een trio dat een uniek gezamenlijk ontwerp tot stand gebracht heeft door een geslaagde integratie van mechanica, systemen en besturingen te realiseren en die de resultaten van het onderzoek, ook in onderlinge samenhang, recent verdedigd hebben. De onderzoeken zijn uitgevoerd in de faculteit Werktuigbouwkunde door dr.ir. R.M. van Druten, dr.ir. A.F.A. Serrarens en dr.ir. B.G. Vroemen. De titels van de proefschriften in de gegeven volgorde luiden “Transmission Design of The Zero Inertia Powertrain”, “Coordinated Control of The Zero Inertia Powertrain” en “Component Control for The Zero Inertia Powertrain”. De betrokken promotoren waren prof.dr.ir. M.J. Schouten, prof.Dr.-Ing B.R. Höhn, prof.dr.ir. M. Steinbuch, prof.dr.ir. P.P.J. van den Bosch en prof.ir. N.J.J. Liebrand.

Korte samenvatting van het onderzoek “Queueing Systems with Heavy Tails” Het proefschrift van Bert Zwart behandelt de stochastische analyse van wachtrijmodellen en vloeistof-modellen, waarbij de bedieningsvraag van een klant of de aan-periode van een aan-uit bron ‘zwaarstaartig’ is. De belangstelling voor deze modellen is ingegeven door metingen aan moderne communicatienetwerken, zoals het Internet. Deze metingen hebben uitgewezen dat het verkeer in deze systemen zich extreem grillig gedraagt. Essentiële kenmerken van dit verkeer zijn onder meer het ‘fractale’ karakter en afhankelijkheid die zich uitstrekt over grote tijdschalen. Een algemeen geaccepteerde verklaring voor deze verschijnselen is dat diverse verkeersfactoren, zoals filegroottes in datanetwerken, een ‘zwaarstaartige’ kansverdeling hebben. Zwart’s proefschrift bevat diverse baanbrekende bijdragen, die nieuwe inzichten opleveren betreffende het gedrag van zwaarstaartig verkeer in communicatienetwerken. Zo geeft hij aan wat de invloed van de bedieningsvolgorde is op de staart van de wachttijdverdeling. Ook ontwikkelt hij een methode waarmee hij het staartgedrag van de bufferinhoud kan bepalen voor een brede klasse van vloeistofmodellen — men denke hierbij aan vloeistofreservoirs (in feite communicatiekanalen) die worden gevoed door diverse bronnen die afwisselend aan en uit zijn. Sommige aan-perioden zijn lichtstaartig, maar andere zwaarstaartig. Daarmee heeft hij een probleem opgelost dat ondanks massale internationale aandacht geruime tijd stand heeft gehouden als één der belangrijkste en moeilijkste open problemen op het gebied van de wachtrij theorie.

Korte samenvatting van het Zero Inertia onderzoek Het brandstofverbruik van een auto kan aanzienlijk verminderd worden door het gevraagde vermogen steeds te leveren in het werkpunt met het laagste verbruik. In het algemeen is dit bij een laag motortoerental en een hoog koppel (“rijden in een hoge versnelling”). Het gevolg is een onacceptabel trage reactie van de auto bij een gewenste verhoging van de snelheid. Dr.ir. R.M. van Druten, dr.ir. A.F.A. Serrarens en dr.ir. B.G. Vroemen hebben de afgelopen vier jaar gewerkt aan een geheel nieuw concept voor een aandrijflijn, waarbij de motor steeds in het gunstigste werkpunt gebruikt kan worden zonder nadelige gevolgen voor de rijeigenschappen. Dit is bereikt door in de aandrijflijn een extra vliegwiel op te nemen. Als het gaspedaal wordt ingetrapt dan wordt het extra vermogen, dat nodig is om de motor snel op te toeren, geleverd door het vliegwiel. De traagheid van de motor wordt als het ware opgeheven door het vliegwiel. Hierbij is betrekkelijk weinig energie nodig, zodat volstaan kan worden met een klein vliegwiel met een vrij lage snelheid. Veiligheidsproblemen zullen daarom geen obstakel vormen bij praktische toepassing van deze zogenaamde Zero Inertia (ZI) transmissie. De drie promovendi hebben de ZI transmissie in detail uitgewerkt, laten maken en ingebouwd in een commercieel verkrijgbare auto. Simulaties en experimenten op de rollenbank en op de proefbaan laten zien dat met deze aandrijflijn in een realistische rijcyclus het brandstofverbruik met ca. 12% kan worden verminderd. Om een verdere reductie tot ca. 20% te bereiken hebben zij de ZI aandrijflijn uitgebreid met Stop-Go. Daarbij wordt het vliegwiel ontkoppeld en wordt de motor afgezet als de auto wordt afgeremd. De jury feliciteert alle winnaars met dit mooie resultaat en wenst hen veel succes toe in hun verdere loopbaan.

24

25

Werktuigbouwkunde

Werktuigbouwkunde

dr.ir. A.F.A. Serrarens

ASML-Promotieprijs 2002

ASML-Promotieprijs 2002

Coordinated Control of the Zero Inertia Powertrain

Component Control for the Zero Inertia Powertrain

dr.ir. B.G. Vroemen

Driveability

Fuel economy and driveability

The straight-line performance of passenger cars—better known as driveability—has historically interested both the public and the motoring press. The driveability of most current vehicles with stepped (manual or automatic) transmissions are generally judged as good, some even excellent. Overlooking a substantial fuel economy potential, the driveability of vehicles equipped with a continuously variable transmission (CVT) has not been embraced to that same extent. One of the reasons is that the response of such a vehicle upon both pedal tip-in and back-out movements is said to be sluggish and indirect.

The fuel economy of passenger cars can be improved in various ways, e.g., by reducing the external load, by improving the component (engine, transmission) efficiency or by operating the powertrain as a whole in a more fuel-optimal way. Especially the operating point in which the engine delivers the required energy is of vital importance to the fuel consumption. While the efficiency of the modern combustion engine is thought to be close to what can be achieved, the field of alternative powertrain operation is by no means fully cultivated. Two alternative powertrain operation methods were selected due to their high fuel saving potential relative to the additional weight, cost and complexity as compared to a conventional vehicle. The first of these methods, called E-line tracking, can save fuel by delivering requested stationary wheel powers in fuel-optimal engine operating points. The second method, called Stop-Go, improves the fuel economy by eliminating the idle fuel consumption of the engine at vehicle standstill. The actual difficulty is to achieve those fuel savings without impairing the vehicle acceleration response, i.e., the driveability.

Figure 1: Zero Inertia® Powertrain

Zero Inertia® Powertrain This problem is solved through connecting a compact steel flywheel and a planetary gearset in parallel to the CVT resulting in the so called Zero Inertia (ZI®) powertrain, see Figure 1. With the ZI® principle the fuel economy potential of a basic CVT powertrain can now be established without impairing the vehicle’s driveability.

Zero Inertia® powertrain

Coordinated Control Apart from the mechanical adjustment of the CVT powertrain a new setpoint generator for the electronic engine throttle valve, Figure 2 and for the hydraulic CVT actuator is developed. The control hardware can be seen in Figure 3. The generation of these setpoints, termed “coordinated control” fully exploits the fuel economy potential of the engine-CVT combination. At the same time, the driveability is greatly improved, see Figure 4 and 5.

Figure 2: Electronic throttle valve

For that purpose, a flywheel is connected in parallel to the transmission via a planetary gear stage. The flywheel provides the energy needed to speed up the engine inertia when a fast acceleration is demanded, hence the name Zero Inertia. For Stop-Go, the flywheel is used to launch the vehicle from standstill and simultaneously restart the engine (see Figure 1).

Component control

Fuel Savings

Figure 3: Control system in vehicle’s trunk

Figure 2: The continuously variable transmission

The smooth exchange of energy between the flywheel and the rest of the powertrain during transient operation is possible through the use of a Continuously Variable Transmission (CVT), see Figure 2. Furthermore, the CVT enables exact matching of the fuel-optimal engine operating points to the vehicle speed. A CVT controller was developed and experimentally validated on a test rig (see Figure 3) and in a test vehicle. Results show a good trade-off between controller performance (see Figure 4(a)), transmission efficiency and robustness. A second research topic concerned the design and realization of the ZI Stop-Go powertrain and its controls. This solution is mechanically simple, but nevertheless complex to operate. It places heavy demands on its controls, both on the supervisory level and on the component control level. The ZI Stop-Go transmission and its hybrid controller was realized and mounted on the test rig, yielding promising results (see Figure 4(b)).

d

The measurements are conducted with a VW Bora test vehicle with 1.6 l petrol engine, see Figure 6. With the vehicle fuel economy measurements are taken at TNO-automotive in Delft. This revealed 10% fuel saving on the European test cycle MVEG, and around 20% fuel saving for constant speed driving.

Figure 1: The Zero Inertia® powertrain

Figure 6: Test vehicle

Figure 4. Vehicle acceleration responses upon pedal tip-in and back-out for CVT (left) and ZI (right) powertrain. 26

Figure 5. Drive torque upon kick-down for 4 geared automatic, CVT and ZI

Figure 3: The test rig

Figure 4(a): Tracking the desired speed ratio

Figure 4(b): Stop-Go vehicle launch 27

Werktuigbouwkunde

dr.ir. R.M. van Druten

Wiskunde en Informatica ASML-Promotieprijs 2002

ASML-Promotieprijs 2002

Transmission Design of the Zero Inertia Powertrain

Queueing Systems with Heavy Tails

Introduction

Queues and Communications Networks

The demand for fuel efficient engine operation and good acceleration response in contemporary vehicles argues for a secondary power source to the powertrain. The hybridization of the powertrain is currently under investigation with every car manufaturer, however few prototypes have reached the market yet. Especially, cost, weight and volume of the additional component, embodied as an electric motor and battery pack, limits widely spread application.

Queues naturally arise in situations where there is competition for some “scarce recourse”. Typical examples are: • the counter at the supermarket; • jobs in a production system; • files on the Internet.

Zero Inertia® concept An innovative powertrain concept, the Zero Inertia (ZI) powertrain, in which kinetic energy is exchanged between an additional flywheel and the engine’s inertia is proposed, see Figure 1.

Figure 1: Schematic of the Zero Inertia (ZI) powertrain

The new ZI transmission concept, using well established components such as a low speed, steel flywheel and a planetary gear set, can offer identical functionality as the electro-chemical power assist in a much smaller volume, at a fraction of the cost. The ZI principle will be best explained from Figure 2 which shows one of the planet gears that combines the speed of the engine, vehicle and flywheel. During a downshift of the continously variable transmission (CVT), comparable with shifting from 5th gear to 4th gear, the engine speeds up and the flywheel is forced to speed down through the planetary gear set. In this way the flywheel releases its kinetic energy into the drivetrain and acts as a mechanical torque assist. In Figure 3 the performance is compared with a CVT powertrain without flywheel, either operating fuel economically (from 5th gear) or sportive (from 4th gear).

Proof of Concept (PoC) transmission design

Figure 2: ZI working principle

Figure 1

Traditionally, it was believed that network traffic was “well-behaved”, in the sense that it could be described by simple Markovian models. About a decade ago, it became possible to collect huge amounts of data on traffic in communication networks. These datasets have been used to validate the traditional statistical assumptions. It came as a huge shock when it was found that these assumptions were not satisfied. Network traffic exhibits properties like self-similarity and long-range dependence. In particular, traffic does not behaves smoothly when averaged over longer time-scales. This is well illustrated by Figure 2. Translated to the fluid queue in Figure 1, these properties can be explained by a peculiar property of the distributions of On- and Off-periods: both are heavy-tailed, in the sense that they have infinite variance. This is supported by the empirical finding that, e.g., file sizes in IP networks have infinite variance as well.

Main contribution Figure 3: Acceleration response during a kick-down at 80 [km/h], simulated.

To demonstrate the practical applicability of the ZI concept a prototype transmission is designed and built, see Figure 4 and 5. The PoC transmission is designed such that the flywheel can be easily removed, enabling a step by step testing program and revealing the changed characteristics of the powertrain.

Figure 4: Flywheel assembly

In this thesis, we study queueing problems raised by issues in communication networks. Traffic in today’s communication networks is heterogeneous in nature, not only consisting of voice traffic, but also of video and data. In addition, traffic is inherently bursty. A queueing model that captures the above-mentioned properties is the fluid queue, as shown in Figure 1. The fluid queue is a storage model which is fed by N On-Off flows, which alternate between silence (Off-) and activity (On-) periods.

Traffic measurements

The improved acceleration response with flywheel enables the engine- to operate fuel efficiently (at low engine speeds), saving up to 23% of fuel.

28

dr. A.P. Zwart

Figure 5: Planetary gear assembly with housing

A key performance measure is the probability that the amount of fluid in the buffer (called the workload) exceeds a certain large treshold. This performance measure is of practical relevance, since it offers insight in the frequency and nature of losses. One of the major open problems in queueing theory and related areas was to obtain insights in the occurrence of such large workloads in the presence of heavy tails. A large number of studies only lead to a number of partial results. In Chapter 7 of this thesis, we obtain a complete solution of this problem. We show that a large workload occurs by extremal behavior of a subset of On-Off flows. Each flow in this subset generates a single extremely long On-period. All other flows behave according to their average behavior. As a consequence, the probability of a large workload behaves polynomially. This implies that large workloads occur much more frequently than predicted by traditional queueing models.

Figure 2 29

Technologie Management

Technologie Management

Modeling binaural signal detection dr.ir. D.J. Breebaart

dr.ir. R.N.A. Bekkers

Spatial hearing

In het dagelijkse leven spelen technische standaarden een steeds belangrijkere rol. Het gaat dan met name om complexe netwerktechnologieën zoals computerprogrammatuur, het Internet, DVD-techniek en telecommunicatie. De overvloed aan standaarden op bepaalde gebieden is overweldigend, zoals de afbeelding van nationale telefoonstekkers illustreert. Op het eerste gezicht lijkt de markt gebaat bij een vergaande standaardisatie. Wijdverbreide standaarden kunnen echter ook tot aanzienlijke bezwaren leiden, zoals gebrek aan variëteit, de beperkte voorspelbaarheid van markt en techniek en handelsbelemmeringen.

The human auditory system is capable of detecting, localizing, separating and identifying auditory objects in the three-dimensional space that surrounds the listener. It is impressive that the binaural auditory system is able to perform this task given the complex mapping between the waveforms received via the left and right ears and the sound source positions.

Modeling spatial hearing and its relevance The aim of modeling the binaural hearing system is to describe quantitatively the processes that mediate spatial hearing in the horizontal and vertical plane. This includes the prediction: • of the perceived position of a sound source; • whether one sound source is made inaudible (masked) by another sound source as a function of their relative positions; • of the audibility of changes in spatial soundfields, and • of so-called auditory illusions such as binaural pitch phenomena and the Franssen effect. Several applications can benefit from a better understanding and an accurate description of the processing in the binaural auditory system: • perceptual (lossy) audio encoders; • hearing aids; • 2D/3D sound reproduction systems; • blind signal separation algorithms, and • dereverberation and denoising algorithms.

Figure 2: Successive stages of the model. Signals arriving from both ears are processed by a peripheral preprocessing stage, followed by a binaural processor which compares the signals from both ears. Subsequently, the central processor extracts the desired information from the internal representation of the sound.

The modeling process was performed using an iterative design loop (see Fig. 1). Initial knowledge from literature and from the analysis of our own psychophysical experiments resulted in a preliminary model. This model was used as an ‘artificial observer’: exactly the same experiments that were performed with human subjects have been simulated with the model. This process allowed for quantitative tests of our hypotheses about the binaural auditory system. The predictions produced by the model were compared to experimental data, which in turn led to (1) knowledge to improve the model, and (2) new research questions to be addressed in new listening experiments.

Results The developed model (see Fig. 2) quantitatively describes the effective signal processing that occurs in the binaural auditory system with a fixed set of parameters. The artificial observer can quantitatively predict spatial masking phenomena and the audibility of modifications (in both the time and frequency domain) to spatial soundfields for arbitrary waveforms (i.e., without any restrictions upon the waveforms emitted by the sound sources).

Regulatory context

Standardisation context Adoption level Economic context Success for actor groups and subgroups

IPRcontext Market context

Standards’ success

Technology context

Dit onderzoek heeft zich toegespitst op het succes en falen van standaarden voor mobiele telecommunicatie. Op dit gebied heeft Europa zich gedurende het laatste decennium ontwikkeld tot koploper: de hier ontwikkelde GSM-techniek voor mobiele telefonie wist een dominante positie op de wereldmarkt te veroveren en wellicht volgt UMTS haar op in dat succes. Echter, andere Europese standaarden voor deze sector kennen beduidend minder succes. Vaak wordt het succes van GSM toegeschreven aan het beleid van de Europese Gemeenschap (EG) en het European Telecommunications Standards Institute (ETSI). Deze studie gaat na of dat bevestigd kan worden.

Approach

30

The Development of European Mobile Telecommunications Standards: an assessment of the success of GSM, TETRA, ERMES and UMTS

Figure 1: Iterative designloop to develop the binaural model. An initial model was developed based on knowledge from literature and our own experimental data. By comparison of model predictions with a large set of experimental data, the model was improved and new research questions were derived. These research questions were addressed in new listening experiments.

De centrale onderzoeksvraag naar succesfactoren van Europese standaarden op dit gebied kan onmogelijk beantwoord worden vanuit enkel een technisch- of marktperspectief. Het eerste deel van deze studie bestaat daarom uit een analyse van de omgeving waarin Europese mobiele standaarden ontwikkeld worden. Deze omgeving bestaat uit een aantal contexten, namelijk de regelgevingcontext, de institutionele normaliseringcontext en de economische context. In de loop van de studie bleek de bescherming van intellectueel eigendom ook een belangrijke rol te spelen. Deze is daarom als afzonderlijke context toegevoegd. Vervolgens zijn er op basis van de actor-netwerk aanpak vier gevalstudies uitgevoerd naar Europese standaarden voor mobiele telecommunicatie, namelijk GSM, TETRA, ERMES en UMTS. De bovengenoemde analyse van de verschillende contexten en de genoemde gevalstudies hebben een overzicht opgeleverd van factoren die het succes van standaarden beïnvloeden. De studie laat zien dat het gevoerde EG-beleid feitelijk weinig invloed heeft gehad op de formele standaarden die uiteindelijk succesvol zijn geworden en niet heeft kunnen voorkomen dat andere formele standaarden faalden. Het beleid van de EG, en dat van de afzonderlijk lidstaten, blijkt echter wel andere, niet-formele standaarden aanmerkelijk te hebben gediscrimineerd. In deze studie wordt een gewijzigd EG-beleid voorgesteld welk het gebruik van mobiele telecommunicatie in de EG centraal stelt in plaats van de toepassing van formele standaarden. Het voorgestelde beleid kan gekarakteriseerd worden als een faciliterend, technologie neutraal beleid. Een analyse van het ETSI heeft ten slotte aan het licht gebracht dat het in haar functioneren ernstige tekortkomingen vertoont. Zo botst de Europese context van het ETSI steeds meer met de mondiale technologiestrategie van haar leden, en kampt ETSI met fundamentele problemen met betrekking tot de beschikbaarheid van licenties voor essentiële intellectuele eigendomsrechten. In het onderzoek wordt daarom een nieuw institutioneel kader voor de Europese normalisatie op dit gebied bediscussieerd. 31

Scheikundige Technologie

Elektrotechniek

Corona Plasma Generation dr. Yan Keping M.Sc.

dr.ir. H.A.J. van Dijk

Technical Issues for Industrial Applications

Introduction

Potential applications of pulsed corona plasma techniques are gas and liquid cleaning (such as NOx, SO2, NH3, H2S, HF, HCl, VOCs, dioxins/furans, and heavy metals removal, odor control, inactivation of micro-organisms, wastewater and soil treatment, and biogas conditions), methane reforming, hydrogen production, material surface treatment, and nano-particle generation. The critical issues to block applications are: • Cost and capacity of repetitive pulsed power sources; • Total energy consumption; • Lack of design methods.

In the near future the feedstock for the chemical industry will shift from crude oil to natural gas due to the limited reserves of crude oil and increasing environmental restraints. A chemical liquefaction economizes the transportation of remote natural gas resources. In this gas-to-liquid technology (figure 1), natural gas is first converted into synthesis gas, a mixture of carbon monoxide and hydrogen. The Fischer-Tropsch synthesis converts this synthesis gas into a wide range of high-value liquids. Compared to the refining of crude oil, the Fischer-Tropsch synthesis provides alternative routes for the production of ultra-clean transportation fuels and petrochemical feedstock.

Fig.1. Optimization method.

Research Objectives

Scope of work

• With electrical, optical and chemical diagnostics and simulations, optimize pulsed corona plasma generation and develop the design method; • Development of industrial applicable pulsed power and corona plasma systems; • Bridge the gap between fundamental R&D and industrial applications.

Achievements • Since 1999, co-author of 18 papers in journals (14 published, 1 in press, and 3 under review) and co-inventor of one pending patent (NL1019171, 2001); • An optimization method for designing pulsed corona plasma systems; • Development of a 1-10 kW system (used four times in industrial demonstrations); • Design of a 10-30 kW hybrid system (under construction).

Further Challenges • Application of the pending patent to develop multiple-switch based pulsed-power technique for up to 100 kW systems; • Optimization of plasma processing to suppress radical terminations.

Fig.2. Model pulse generator based on the pending patent. 32

The Fischer-Tropsch synthesis: a mechanistic study using transient isotopic tracing

Fig.3. Layout of the 10-30 kW hybrid plasma system.

Although the Fischer-Tropsch synthesis has a lively history for more than seventy years, the reaction mechanism is still not fully understood. For a renewed technology boost, detailed understanding of the surface chemistry of this heterogeneous catalyzed reaction is required. Transient isotopic tracing techniques are best suited to answer these questions since the chemistry is studied under realistic reaction conditions.

Figure 1: Block diagram of the gas-to-liquid technology.

Results and conclusions Using extensive chemical analysis techniques on a variety of isotopic tracing experiments generated detailed insight into the surface chemistry. Modeling of the experimental results led to a quantitative reaction mechanism and kinetic parameter estimates were obtained. In the mechanism as shown in figure 2, the importance of secondary reactions is illustrated. Secondary reactions are initiated when reactive olefins readsorb from a physisorbed state. Moreover, only a small fraction of the catalyst surface is active for the C-C coupling reaction that produces the liquid hydrocarbon reaction products. The quantitative model was successfully used to predict the product distribution under industrial conditions.

Figure 2: Reaction mechanism for the Fischer-Tropsch synthesis. 33

Scheikundige Technologie

Polymeric Polarisation Optics for Energy Efficient Liquid Crystal Display Illumination

dr.ir. H.J.B. Jagt

Energy Efficiency of LCDs Liquid Crystal Displays (LCDs) are widely employed in reflective (e.g. wrist watches), transmissive (e.g. notebook computer screens) or transflective (e.g. mobile telephones) applications. Within the latter two types, a backlight illumination system is used to illuminate the LCD screen. The energy efficiency of such a backlit LCD is limited to approximately 5-10%, which is mainly due to losses associated with absorbance in the polarisers and color filters (Figure 1).

Research Objectives New non-absorbing polymeric illumination systems were studied in order to enhance the overall LCD energy efficiency. This enables an increased battery life and/or brightness in portable LCD applications. Polarised light is directly emitted by these illumination systems, whereas the unwanted polarisation is recycled to reduce the light losses. Three main optical principles were used: polarisation dependent scattering, total internal reflection (T.I.R.) and diffraction.

Figure 1: Light efficiency of LCD components

Results • Polarised scattering based backlights were produced and tested using conventional polymeric materials (e.g. polyester) and processes. A broad angular emission with moderate polarised contrasts (≈20) were obtained. Application is limited to small areas due to difficulties of controlling a homogeneous emission. • Micro-structured all-polymer systems were produced, which achieve polarised emission via total internal reflection at appropriately designed micro-grooves. The emission was found to be concentrated in favorable directions with very high polarised contrasts (>100, Figure 2). • Diffractive sub-micron sized holographic gratings were demonstrated to offer a range of interesting optical features: high directionality, high polarised contrasts (≈100), color separation, and high transparency in transmission (Figure 3).

Relevance Polarised scattering based systems offer low-cost potentials for small-area energy efficient LCD illumination (e.g. mobile telephones). Micro-structured T.I.R. systems are highly promising, also for large area applications, due to their unprecedented optical performance. Holographic diffractive emission yields new unique optical characteristics for LCD illumination. Figure 3: Measurement of colour separation in a holographic backlight 34

Figure 2: Emission of highly polarised light by a micro-structured backlight

36