< Terug naar vorige pagina

Project

Gezamenlijke toestands/input-schatting in structurele dynamica - Toestands/kracht-schatting bij het gebruik van compressive sensing binnen een meerstappenaanpak

De trend naar toenemende intelligentie in mechatronische systemen is kenmerkend voor vele producten en productielijnen in onze samenleving. Deze zijn gericht op betere prestaties, verbeterde betrouwbaarheid, hogere veiligheid, lagere kosten en lagere emissies. Wanneer machines operationeel zijn, gebruiken meet- en controle processen digitale computers en sensoren om beslissingen te nemen op basis van de geregistreerde meetdata. Bovendien zijn tijdens de ontwerpfase van een product extra sensoren gewenst om na te gaan of aan de strakke ontwerpbeperkingen voldaan wordt. Hoewel het relatief eenvoudig is om grootheden zoals temperatuur, druk, licht en versnelling te meten, is dit niet het geval voor krachten en koppels. Specifieke kracht- en koppelsensoren zijn beschikbaar, maar in de praktijk kunnen ze omwille van geometrische, veiligheids- of economische redenen moeilijk of zelfs onmogelijk gemonteerd worden op een mechanisch systeem. De kracht- en koppelgrootheden kunnen daarom niet worden gemeten, hoewel ze van het allergrootste belang zijn voor beslissingen omtrent ontwerp, duurzaamheid, foutdetectie, foutvoorspelling, onderhouds- en geavanceerde regelstrategieën. Om dit probleem op te lossen, is het binnen de ingenieursgemeenschap gebruikelijk om over te gaan op wiskundige modellen. Een model in combinatie met alle beschikbare meetdata kan leiden tot een betere kennis van het werkelijke systeem. Dit kan bekomen worden door een beroep te doen op de discipline van toestandsschatting. Hierbij zijn de toestanden die geschat worden de grootheden die we willen controleren of beheersen. In het geval van externe onbekenden kunnen we bovendien een gezamenlijke toestands/storings-schatter opzetten, die een extra voorstelling van de onbekende grootheden kan omvatten. Modelgebaseerde (gezamenlijke) schatters zijn buitengewoon krachtige hulpmiddelen maar hebben ook enkele uitdagingen. Ten eerste moeten we ervoor zorgen dat de informatie die we willen schatten observeerbaar is; dit wil zeggen dat het model voldoende gedetailleerd moet zijn en de soort en hoeveelheid meetdata voldoende moet zijn om alle onbekenden te identificeren. Verder kan een storing die wordt gekenmerkt door een hoge dynamica moeilijk te detecteren zijn, zelfs met een zeer hoge bemonsteringssnelheid.

Het doel van dit proefschrift is om de typische uitdagingen van gezamenlijke schattingsproblemen, gerelateerd aan observeerbaarheid en verstorende dynamica, te overwinnen. We stellen een nieuwe tijdsdomeinaanpak voor met betrekking tot de gezamenlijke toestands/input-schatting van mechanische systemen, waarbij de nieuwigheid zit in het combineren van compressive sensing (CS) en een bewegende horizon-schatter (moving horizon estimator, MHE), wat toelaat om een groot aantal inputlocaties te observeren voor een kleine set metingen. In de nieuwe aanpak, genaamd compressive sensing–moving horizon estimator (CS-MHE), is aan de functionaliteit van de MHE, die de ruis minimaliseert wanneer het model met metingen wordt gecorreleerd, een ℓ1-norm optimalisatie toegevoegd met als doel een ijle oplossing voor de input-schatting te verkrijgen. Het stelt ons in staat om een input te modelleren met enkele vormfuncties behorend tot een vooraf gedefinieerde set. Dit wil zeggen dat we een bekende inputvorm gebruiken om een input te voor te stellen en om de typische beperkingen van schattingsproblemen (observabiliteit, verstorende dynamica en minimale bemonsteringssnelheid) te versoepelen. Het combineren van toestands- en inputschatting is uiterst waardevol, aangezien in het geval van loutere toestandsschatting een modelfout kan worden waargenomen als een input: de geschatte input omvat de modelonnauwkeurigheid.

Datum:7 jan 2013 →  6 nov 2018
Trefwoorden:state estimation, input estimation, compressive sensing, moving horizon estimator
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project