< Terug naar vorige pagina

Project

Modelgebaseerde systeemmethoden voor identificatie en opvolging van mechatronische systemen

Dit proefschrift richt zich op het efficiënt en nauwkeurig berekenen van gevoeligheidsinformatie voor verschillende optimalisatieproblemen met een groot aantal ontwerpparameters, in het gebied van flexibele meer-lichamen simulaties. Deze verschillende optimalisatieproblemen, zoals parameteridentificatie, optimale invoer en topologie-optimalisatie, stellen de mechatronische industrie in staat om doelen te bereiken op het gebied van energie-efficiëntie, prestaties, betrouwbaarheid, enz. Nauwkeurige gevoeligheidsinformatie is voor veel performante optimalisatie-algoritmes een noodzakelijk ingrediënt voor een goede convergentie en omdat het vaak een relatief aanzienlijke hoeveelheid rekenkosten in beslag neemt, is het belangrijk om dit efficiënt te verkrijgen, vooral bij een groot aantal ontwerpparameters. 

Daarom presenteert dit proefschrift de ontwikkeling van een gevoeligheidsberekeningsraamwerk dat op efficiënte wijze nauwkeurige gevoeligheidsinformatie verschaft voor een groot aantal ontwerpparameters, en dit met een zo laag mogelijke implementatiecomplexiteit. 

De eerste en centrale bijdrage van dit proefschrift, dat ook de basis legt voor de andere bijdragen, is de ontwikkeling van een nieuwe methodologie voor het berekenen van gevoeligheidsinformatie voor verschillende optimalisatieproblemen in flexibele multibody-systemen. De benadering maakt gebruik van de flexible natural coordinates formulation (FNCF) als onderliggende flexibele meer-lichamenformulering met kleine vervormingen om de complexiteit van de (continue en discrete) adjoint variabele methoden te verminderen. FNCF combineert de voordelen van de Floating Frame of Reference (FFR) formulering en de Generalized Component Mode Synthesis (GCMS) meer-lichamen-formuleringen, wat resulteert in een eenvoudige structuur van de bewegingsvergelijkingen (EOM), wat voor FNCF wordt gekenmerkt door een constante gereduceerde massa en stijfheidsmatrix en kwadratische beperkingsvergelijkingen. De eenvoudige structuur zorgt ervoor dat de verschillende Jacobianen van de termen die voorkomen in de bewegingsvergelijkingen, die nodig zijn in de adjoint gevoeligheidsvergelijkingen, worden geëlimineerd, reeds berekend en dus beschikbaar zijn of in complexiteit worden verminderd. Dit resulteert in een verminderde implementatiecomplexiteit voor de adjoint variabele methode. Hoewel de bewegingsvergelijkingen en de gevoeligheidsvergelijkingen een groter aantal vrijheidsgraden hebben, kan de methode rekenkundig efficiënter zijn wanneer de evaluatie/berekening van deze Jacobianen een significante rol inneemt in de totale gevoeligheidsberekening.

In de tweede en derde bijdrage werd de nieuwe AVM-FNCF gevoeligheidsmethodologie met succes toegepast voor twee niet-gedistribueerde parameterproblemen in flexibele meer-lichamen-systemen. In de tweede contributie worden verschillende modelparameters van een kwart auto meer-lichamenmodel, inclusief flexibele lichamen, geïdentificeerd met behulp van referentiesignalen van experimentele gegevens die zijn genomen op een overeenkomstige testopstelling. De gevoeligheidsinformatie voor het optimalisatieprobleem is vergeleken en geverifieerd met behulp van de eindige-differenties gevoeligheidsmethode. Voor de derde contributie werden meer dan 700 parameters geoptimaliseerd die het ingangskoppelsignaal van een flexibel schuif-krukmechanisme parametriseren. Het doel was om het koppelsignaal zodanig te bepalen dat de resulterende hoeksnelheid van de motoras die de kruk aandrijft, zo dicht mogelijk overeenkomt met een referentiehoeksnelheidssignaal. De gevoeligheidsinformatie is vergeleken en geverifieerd met behulp van de eindige differentie gevoeligheidsmethode.

De vierde en laatste bijdrage presenteert een nieuwe gevoeligheidsanalyse voor de topologie-optimalisatie van structurele componenten in flexibele meer-lichamensystemen, gebruikmakend van de AVM-FNCF gevoeligheidsmethodologie. De ‘traditionele’ gevoeligheidsmethodes voor topologie-optimalisatieproblemen zijn gebaseerd op een zwak-gekoppelde self-adjoint gevoeligheidsexpressie of een volledig gekoppelde goevoeligheidsexpressie. De eerst vernoemde methode wordt afgeleid onder de aanname dat zowel de belasting op de component als de toestand van het multibody systeem onafhankelijk zijn van de ontwerp parameters. Dit leidt tot een zeer efficiënte en eenvoudige gevoeligheidsmethode dat toepasbaar is voor verscheidene problemen. Maar, de aannames die gemaakt worden zijn in het algemeen niet geldig voor een multibody simulatie, vooral voor hoog-dynamische systemen die gekenmerkt worden door een hoge inertiële belasting. De tweede methode is een volledig gekoppelde aanpak die meer algemeen toepasbaar is en niet uitgaat van de aannames die gemaakt werden in de zwak-gekoppelde methode. Dit leidt wel tot het nadeel dat de gevoeligheidsanalyse complexer en computationeel duurder is i.v.m. de zwakgekoppelde methode. Daarom stelt dit werk een nieuwe aanpak voor om een volledig-gekoppelde gevoeligheidsanalyse uit te voeren die ervoor zorgt dat de implementatie complexiteit daalt en dat problemen met een grote ontwerpruimte kunnen worden doorgerekend.

Datum:3 aug 2016 →  27 jan 2022
Trefwoorden:Model based system engineering, Model updating, Multibody systems
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project