MultiBody modelgebaseerde virtuele sensing. Een generieke indirecte detectiebenadering voor mechatronische systemen met niet-lineaire bussenverbindingen

Wij bevinden ons in het tijdperk van digitalisering, waarin nauwkeurige en betrouwbare gegevens herhaaldelijk worden uitgewisseld, hetgeen resulteert in waardecreatie in opkomende, snelgroeiende technologieën.

In de machinebouw laat digitalisatie toe om het meetsysteem te innoveren en het ontwerp te stoelen op wiskundige modellen.
Ondanks de vooruitgang in sensoren zijn sommige grootheden moeilijk te meten op een niet-intrusieve wijze en tegen een lage kost. Zo zijn krachten en momenten moeilijk of zelfs onmogelijk rechtstreeks te meten zonder de geometrie en het gedrag van het systeem te beïnvloeden.
Modelgebaseerde oplossingen winnen aan belang in de concept-, ontwerp-, analyse- en operationele fasen van het systeem. Dergelijke benadering biedt duidelijke voordelen voor mechatronische systeemoplossingen: tijdsefficiëntere prototyping, gestuurd onderhoud, en een verlaagd investeringsrisico. Numerieke modellen zijn echter afhankelijk van een nauwkeurige kennis van de excitatie en de eigenschappen van het systeem. Deze informatie kan in de praktijk ongekend zijn of beperkt tot specifieke bedrijfsomstandigheden waardoor de toepasbaarheid van zuiver modelgebaseerde oplossingen voor reële problemen beperkt kan zijn.

De combinatie van beide vormen de bouwstenen van de digital twin benadering: fysieke producten komen samen met hun digitale metgezellen waarin experimentele en gesimuleerde gegevens tussen elkaar worden uitgewisseld. In dit paradigma kunnen metingen worden gebruikt om de modelstatus en -parameters bij te werken zodat ze de realiteit accuraat weergeven. Het empirisch geïnformeerde model kan worden gebruikt om fysieke informatie op een goedkope, niet-invasieve wijze te evalueren. Een opkomende toepassing van het digital twin concept is virtuele meettechnologie, waarbij standaard metingen en modellen door middel van schattingsalgoritmen worden gecombineerd om moeilijk te meten grootheden indirect af te leiden. 

Een grote verscheidenheid aan modelleerstrategieën bestaat om mechatronische toepassingen te beschrijven. Niet alle modellen geven dezelfde hoeveelheid informatie, noch betrouwbaarheid. Modellen gebaseerd op meerlichamendynamica  worden regelmatig gebruikt door ingenieurs om op een nauwkeurig wijze complexe mechanismen met verschillende vervormbare en onvervormbare lichamen die onderling zijn verbonden door kinematische gewrichten en flexibele verbindingen te beschrijven. Een praktisch voorbeeld van een verbindingselement is het rubberen busonderdeel die op grote schaal wordt gebruikt in mechanische systemen om de overgebrachte trillingen en voorspanning van verbonden lichamen te verminderen.

Terwijl bussen de nodige functionaliteit bieden, gedragen de componenten zich op een niet-lineaire wijze waardoor de componentmodellering en de inclusie in het meerlichamendynamicamodel niet triviaal zijn. Bovendien worden de dynamica en kinematica van meerdere lichamen over het algemeen beschreven door een stelsel van differentiaal- en algebraïsche vergelijkingen in redundante coördinaten, dewelke niet zonder meer kunnen worden opgenomen in gangbare schattingsschema's.

In dit werk wordt een veelzijdige modelleerstrategie voorgesteld om de meest recente en nieuw ontwikkelde modellen van bussen met geconcentreerde parameters te combineren. Gezien de grootte van de parameterruimte van dergelijke componenten wordt vooraf de modelparameters geïdentificeerd aan de hand van experimentele gegevens via optimalisatie.
Vervolgens wordt het geïdentificeerde element opgenomen op systeemniveau en worden de resulterende meerlichamendynamische vergelijkingen via een efficiënte linearisatiemethode omgezet in een toestandsruimtevorm en geïmplementeerd in een Kalman filter om de systeemtoestanden en onbekende excitaties gezamenlijk te schatten. Dit laatste wordt bereikt door gebruik te maken van nauwkeurige sensormodellen en optimaal geselecteerde metingen. Tenslotte wordt de virtuele metingen en modellering van de bussen toegepast en experimenteel gevalideerd in verschillende operationele omstandigheden. 

Het resultaat van de thesis is een generiek raamwerk voor indirecte metingen op basis van natuurkundig geïnspireerde modellen, met inbegrip van niet-lineaire verbindingen, gecombineerd met metingen van eenvoudige en goedkope sensoren.