Moderne lineaire feedbackcontrole voor mechatronische toepassingen: Een systematische aanpak voor praktiserende regeltechnici

Technologie vormt een belangrijke pijler van de hedendaagse samenleving en stimuleert daarmee wetenschappers en ingenieurs om voortdurend te streven naar meer comfort, veiligheid, efficiëntie, betrouwbaarheid, productiviteit, nauwkeurigheid, enz. Eén van de drijvende krachten achter de aanhoudende technologische innovatie is regeltechniek of automatisering. Sedert de opkomst en de snelle evolutie van digitale elektronica in de 20e eeuw zijn regelsystemen alomtegenwoordig: wagens, computers, verwarmingssystemen, huishoudtoestellen, productiemachines, enz. zonder regelsystemen zijn haast uitzonderlijk geworden. De eerste formele methodes voor het opstellen van regelalgoritmes waren gebaseerd op lineaire (elektronische) filters zoals PID regelaars, die -verrassend genoeg- vandaag de dag nog steeds als de standaard worden aanzien in de industriële praktijk. Dit opmerkelijk schrille contrast met geavanceerde ontwerpmethodologieën die in de laatste decennia in de academische wereld werden ontwikkeld roept vragen op over hun praktische toepasbaarheid in de industrie. Dit werk formuleert een (gedeeltelijk) antwoord op deze vragen, in het bijzonder voor moderne lineaire regeltechniek en met de nadruk op mechatronische systemen. De bijdragen van de verhandeling bekrachtigen een vrijwel volledig systematische ontwerpprocedure, die daardoor uitermate geschikt is voor een brede erkenning in de industriële praktijk, op voorwaarde dat de nodige ondersteunende software aan de ontwerpers ter beschikking wordt gesteld.

Enerzijds vat dit werk de fundamentele concepten van 'loop shaping' en robuuste controle samen, waarna een wiskundig raamwerk wordt uiteengezet dat het regeltechnische probleem vertaalt in een numeriek optimalisatieprobleem. Deze methodiek steunt op verschillende welbekende bijdragen die de afgelopen jaren werden gepubliceerd in de technisch-wetenschappelijke literatuur. Om praktiserende controle-ingenieurs af te schermen van deze technisch-wiskundige formulering en hen te ondersteunen bij het doorlopen van het volledige ontwerpproces op een abstracter niveau introduceren we een softwarepakket dat wordt gedemonstreerd aan de hand van een voorbeeld.

Anderzijds demonstreren overtuigende resultaten van vier mechatronische gevalsstudies de systematische ontwerpprocedure tot op het niveau waarop de software het resterende werk automatisch kan uitvoeren. Het gaat onder meer om een inductiemotor in een testopstelling in 'back-to-back' configuratie, een educatieve opstelling met een buigzame lat, een rotordynamische testopstelling met 5 magneetlagers, en een industrieel autonoom voertuig. In elk van deze gevalsstudies wordt de aandacht gevestigd op specifieke voordelen van moderne lineaire regeltechniek ten opzichte van de wijdverbreide klassieke benaderingen. Behalve een systematische ontwerpprocedure buit het ontwerpen van regelaars met gesloten-lus specificaties het model inderdaad volledig uit, laat het parametrische optimalisatie toe en kan het robuustheidsvereisten rechtstreeks in rekening brengen. Dergelijke eigenschappen zijn van belang in vele praktische controleproblemen, zeker bij mechatronische toepassingen.

Een analyse van de sterktes, zwaktes, opportuniteiten en bedreigingen ('SWOT') van de voorgestelde methodologie schetst een overzicht van de bereikte resultaten en openstaande opportuniteiten en moeilijkheden die een startpunt kunnen vormen voor verder onderzoek om het gebruik van moderne lineaire regeltechniek verder te stimuleren in de industrie.