Robust control of thermal manufacturing processes
The thermal-based manufacturing processes such the welding and Additive Manufacturing (AM) processes are lacking on the efficiency of process control. This study arrives to bridge the gap of optimization in the control using linear matrix inequalities as an innovative method in this field. The study...
Main Author: | |
---|---|
Other Authors: | |
Language: | English |
Published: |
2021
|
Subjects: | |
Online Access: | http://hdl.handle.net/10889/15338 |
id |
nemertes-10889-15338 |
---|---|
record_format |
dspace |
spelling |
nemertes-10889-153382022-09-05T06:58:37Z Robust control of thermal manufacturing processes Σθεναρός έλεγχος θερμικών μηχανουργικών διεργασιών Μιχαήλ, Χρήστος Michail, Christos Additive manufacturing Robust control Process control Manufacturing processes Digital twin Finite element method Linear matrix inequality Προσθετική παραγωγή Σθεναρός σχεδιασμός ελεγκτή Θερμικές κατεργασίες Πεπερασμένα στοιχεία The thermal-based manufacturing processes such the welding and Additive Manufacturing (AM) processes are lacking on the efficiency of process control. This study arrives to bridge the gap of optimization in the control using linear matrix inequalities as an innovative method in this field. The study proposed two methodologies of controllers, the first one (a) employs a robust control through quadratic optimization using two dynamic output feedback controller of H-Infinity and H2, an observer-based controller using two gain of state-feedback and an observer-gain to synthesize a closed-loop feedback and a second one (b) using polytopic uncertainties due to structural variation in the powder material through a robust model predictive control. All the controllers are compared with a classical fine-tuned Proportional-Integral-Derivative (PID) for the single-input-single-output dynamical system. A Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF) AM process is developed using Finite Element Method (FEM) for a single track of titanium alloy to construct a polynomial model through AutoRegressive (ARX) method. The response of proposed robust controllers via LMIs are compared with typical metrics of step response, such as the settling time and the rise time. The results of the (a) first developed controllers show the dominant of the proposed controller in comparison with a PID, which conclude that the latter’s metrics are approximately twice of the proposed ones. The results from the (b) polytopic uncertain system in the material properties shows the good agreement in the tracking response. At last, all the developed controllers can be adopted in a Digital Twin-based controller for their robustness under the uncertainties and the efficiency against the tracking response. Οι θερμικές παραγωγικές διεργασίες όπως συγκόληση ή προσθετική παραγωγή υστερούν ως προς την αποτελεσματικότητα του ελέγχου για την αξιοπιστία και την επαναληψιμότητα. Η παρούσα διπλωματική εργασία καλύπτει το κενό του ελέγχου σε αυτές τις διεργασίες μέσω γραμμικών πινάκων ανισοτήτων ως μια καινοτόμα λύση στο πεδίο αυτό. Η εργασία αυτή προτείνει δύο μεθοδολογίες, η πρώτη (α) κάνει χρήση σθεναρού ελέγχου μέσω κυρτής βελτιστοποίησης ενώ η δεύτερη (β) κάνει χρήση πολύτοπου συστήματος αβεβαιοτήτων λόγω της διακύμανσης που υπάρχει στο υλικό μέσω σθεναρού προγνωστικός έλεγχος μοντέλου. Όλοι οι ελεγκτές συγκρίνονται με έναν ελεγκτή PID για ένα σύστημα μονής-εισόδου-μονής-εξόδου. Το δυναμικό σύστημα είναι ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που προσομοιώνει τη θερμική διεργασία “Laser-based Powder Bed Fusion” με τη χρήση κοινού κώδικα πεπερασμμένων στοιχείων για μία στρώση πούδρας κράμματος τιτανίου και εκτιμάται μέσω πολυωνυμικού μοντέλου. Η απόκριση των ελεγκτών στο κλειστό σύστημα γίνεται με χρήση χαρακτηριστικών μετρητικών από τη θεωρία ελέγχου όπως ο χρόνος απόκρισης και ο χρόνος ανόδου. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν την υπεροχή των προτεινόμενων ελεγκτών έναντι κλασσικών μεθόδων όπως PID, με τα μετρητικά του τελευταίου να είναι σχεδόν διπλάσιου των προτεινόμενων. Τέλος, έγινε η σύνθεση σθεναρού ελέγχου για ένα πολύτοπο αβεβαιοτήτων στις ιδιότητες του υλικού με τα αποτελέσματα να δείχνουν την καλή σύγκλιση όλων των συστημάτων με έναν κοινό ελεγκτή. 2021-10-15T05:58:54Z 2021-10-15T05:58:54Z 2020-10-15 http://hdl.handle.net/10889/15338 en application/pdf |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Additive manufacturing Robust control Process control Manufacturing processes Digital twin Finite element method Linear matrix inequality Προσθετική παραγωγή Σθεναρός σχεδιασμός ελεγκτή Θερμικές κατεργασίες Πεπερασμένα στοιχεία |
spellingShingle |
Additive manufacturing Robust control Process control Manufacturing processes Digital twin Finite element method Linear matrix inequality Προσθετική παραγωγή Σθεναρός σχεδιασμός ελεγκτή Θερμικές κατεργασίες Πεπερασμένα στοιχεία Μιχαήλ, Χρήστος Robust control of thermal manufacturing processes |
description |
The thermal-based manufacturing processes such the welding and Additive Manufacturing (AM) processes are lacking on the efficiency of process control. This study arrives to bridge the gap of optimization in the control using linear matrix inequalities as an innovative method in this field. The study proposed two methodologies of controllers, the first one (a) employs a robust control through quadratic optimization using two dynamic output feedback controller of H-Infinity and H2, an observer-based controller using two gain of state-feedback and an observer-gain to synthesize a closed-loop feedback and a second one (b) using polytopic uncertainties due to structural variation in the powder material through a robust model predictive control. All the controllers are compared with a classical fine-tuned Proportional-Integral-Derivative (PID) for the single-input-single-output dynamical system. A Laser-based Powder Bed Fusion (LPBF) AM process is developed using Finite Element Method (FEM) for a single track of titanium alloy to construct a polynomial model through AutoRegressive (ARX) method. The response of proposed robust controllers via LMIs are compared with typical metrics of step response, such as the settling time and the rise time. The results of the (a) first developed controllers show the dominant of the proposed controller in comparison with a PID, which conclude that the latter’s metrics are approximately twice of the proposed ones. The results from the (b) polytopic uncertain system in the material properties shows the good agreement in the tracking response. At last, all the developed controllers can be adopted in a Digital Twin-based controller for their robustness under the uncertainties and the efficiency against the tracking response. |
author2 |
Michail, Christos |
author_facet |
Michail, Christos Μιχαήλ, Χρήστος |
author |
Μιχαήλ, Χρήστος |
author_sort |
Μιχαήλ, Χρήστος |
title |
Robust control of thermal manufacturing processes |
title_short |
Robust control of thermal manufacturing processes |
title_full |
Robust control of thermal manufacturing processes |
title_fullStr |
Robust control of thermal manufacturing processes |
title_full_unstemmed |
Robust control of thermal manufacturing processes |
title_sort |
robust control of thermal manufacturing processes |
publishDate |
2021 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/15338 |
work_keys_str_mv |
AT michaēlchrēstos robustcontrolofthermalmanufacturingprocesses AT michaēlchrēstos sthenaroselenchosthermikōnmēchanourgikōndiergasiōn |
_version_ |
1771297176066981888 |