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...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Μιχαήλ, Χρήστος
Other Authors: Michail, Christos
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