Onderzoeksgroep

Constrained Systems Lab (CoSys-Lab)

Expertise

Aangezien de regelalgoritmen de actuatoren rechtstreeks aansturen, hebben de regelaars een aanzienlijke invloed op de vereisten op het gebied van productiviteit, energieverbruik, kwaliteit en robuustheid. Om de prestaties van de controle te optimaliseren ten opzichte van deze eisen, focust het onderzoek van professor Derammelaere op vier essentiële onderwerpen. In de eerste plaats gaat zijn aandacht uit naar het regelalgoritme en de belangrijkere regelarchitectuur. Ten tweede garandeert onderzoek naar de optimale selectie, optimale plaatsing van sensoren en implementatie van feedbackschatting een kostenefficiënte controle. Bovendien minimaliseert trajectoptimalisatie, naast optimalisaties van de besturing, het energieverbruik en het nodige aandrijfvermogen. Ten slotte leveren al deze onderwerpen; controlearchitectuur, feedbackoptimalisatie en schattings- en padplanning de beste resultaten op als er een betrouwbaar dynamisch systeemmodel beschikbaar is.

Nexor - Cyber-fysische systemen ten bate van de vierde industriële revolutie 01/01/2021 - 31/12/2026

Abstract

De vierde industriële revolutie (Industrie 4.0 zoals het vaak wordt genoemd) wordt aangedreven door extreme digitalisatie, mogelijk gemaakt door een enorme rekenkracht, gestuurd door slimme machines en draadloze netwerken. In de laatste zes jaar heeft Nexor — een multidisciplinair samenwerkingsverband tussen vier Antwerpse onderzoekslaboratoria — daar een solide portfolio opgebouwd. Momenteel versterken we het consortium om ons toe te laten door te groeien tot een gevestigde waarde in het Europese landschap. Het voorliggende projectvoorstel beschrijft onze plannen voor 2021 - 2026, met de expliciete bedoeling om industriële partners in staat te stellen hun Industrie 4.0 uitdagingen aan te pakken. We volgen daarbij een vraaggedreven aanpak, om toekomstige partners te overtuigen onze innovatieve ideeën op te pikken. We mikken daarbij onder andere op gezamenlijke onderzoeksprojecten (TRL5—7) en licentieovereenkomsten.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Project website

Dotatie i.k.v. structurele samenwerking met Flanders Make. 01/01/2021 - 31/12/2021

Abstract

Flanders Make heeft als missie het versterken van de internationale competitiviteit van de Vlaamse maakindustrie op lange termijn door industriegedreven, precompetitief, uitmuntend onderzoek uit te voeren op het gebied van mechatronica, productontwikkelingsmethodes en geavanceerde productietechnologieën en door valorisatie in deze domeinen te maximaliseren.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Mogelijkheden van ijle interpolatie in multidimensionale optimalisaties. 01/10/2020 - 30/09/2024

Abstract

Voor technisch ontwerp zullen simulaties een zicht geven op de impact van ontwerpwijzigingen aangebracht door ingenieurs. Daarna verbetert de ingenieur het ontwerp op basis van de simulatie-uitgang. Meer en meer wordt de ingenieur in deze vervangen door een optimalisatiealgoritme dat de ontwerpparameters aanpast om optimale prestaties te garanderen. De literatuur vermeldt gevallen waarbij het toepassen van deze optimalisatietechnieken leidt tot prestatieverbeteringen van 33%. De huidige stand van de techniek is echter vaak gebaseerd op heuristische optimalisatietechnieken. Hoewel ze gemakkelijk toepasbaar en geschikt zijn voor vele toepassingen, kunnen ze helemaal niet garanderen dat ze het globale optimum vinden. In tegenstelling tot lokale optima is het globale optimum het unieke ontwerp dat de beste prestaties garandeert. Het gebruik van optimalisatie algoritmes die het globale optimum niet kunnen garanderen, resulteert vaak in een onbenut potentieel tot 18%. Toch hebben heuristische optimalisatie routines nog steeds de voorkeur in de techniek, omdat ze geen exact wiskundig model van de objectief functie vereisen. Wij stellen voor om het wiskundige model te identificeren op basis van simulaties, standard gebruikt binnen een ingenieursaanpak. Deze simulaties kunnen het objectief exact bepalen op basis van specifieke instellingen voor de ontwerpparameters. Als het aantal ontwerpparameters echter toeneemt, wordt het leveren van een nauwkeurig raster van objectieve functievoorbeelden onhaalbaar aangezien het noodzakelijke aantal simulaties explosief toeneemt. Recente resultaten, bekomen door de co-promotor, in multidimensionale ijle interpolatie zijn een game-changer omdat het aantal benodigde samples tot een absoluut minimum wordt gereduceerd. Dit laat namelijk toe om het onderliggende wiskundige model van de objectief functie te identificeren. Zo wordt exacte globale optimalisatie mogelijk. Het voorgestelde onderzoek zal resulteren in een generieke workflow die vertrekt van veelgebruikte simulaties die leiden tot een model via multidimensionale ijle interpolatie. Het feit dat een dergelijk model een globale optimalisatie van technische problemen met meerdere ontwerpparameters mogelijk maakt, zal een echte fundamentele nieuwigheid zijn voor de mechatronische stand der techniek.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Naar een optimaal ontwerp, traject en regeling van repetitieve bewegingen. 01/11/2019 - 31/10/2023

Abstract

Er is een sterke wens om de efficiëntie of snelheid van industriële machines te maximaliseren. Ontwerpers van machines, die repetitieve bewegingen uitvoeren, definiëren vaak alleen het beginen eindpunt van een beweging en niet de exacte positiefunctie. Deze flexibiliteit opent de mogelijkheid om het traject van het mechanisme te optimaliseren. Bovendien vertrouwen machinebouwers voor het machineontwerp vaak op standaard componenten. Het effect van het geometrische ontwerp op het optimale traject en energiebehoefte van het systeem wordt vaak verwaarloosd. In de literatuur worden gevallen genoemd waarin ad-hoc optimalisaties het energieverbruik tot 39% verminderen dankzij traject- en geometrische optimalisatie. Dit project zal gebruik maken van beschikbare CAD modellen en ijle interpolatie om een gesloten wiskundige systeemeigenschapsbeschrijving te verkrijgen. Dit zal het mogelijk maken om een intervaloptimalisatietechniek te gebruiken die kan garanderen dat het echte globaal optimaal geometrische ontwerp en traject worden gevonden. De kennis van de systeemeigenschappen zal gebruikt worden om een robuuste controller te ontwerpen die ervoor zorgt dat de machine het gewenste traject volgt. Tenslotte zal elke mismatch tussen het virtuele en het echte model worden gedetecteerd met online tracking technieken om ervoor te zorgen dat de werking van de machine optimaal blijft. Dit project stelt machinebouwers in staat stelt om machines te bouwen met lagere totale gebruikskosten.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Ontwikkeling van een a priori én online trajectoptimalisatie voor repetitieve bewegingen. 01/10/2018 - 30/09/2022

Abstract

Aangezien de mondiale vraag naar energie zal blijven toenemen en de negatieve impact van de mens op de opwarming van de aarde bekend is, bestaat er een sterke wens om het energieverbruik van industriële machines tot een minimum te beperken. Een belangrijke opportuniteit ligt in optimalisaties die geen aanpassingen of investeringen in geïnstalleerde hardware vereisen. Trajectoptimalisatie is zo'n kost efficiënte techniek. Machinebouwers en gebruikers bepalen vaak alleen begin- en eindpunt en gewenste tijd voor een beweging. De exacte positie als functie van de tijd tussen deze twee punten in, is vaak niet van belang voor de gebruikers. Deze flexibiliteit opent de mogelijkheid om het positieverloop te optimaliseren. De literatuur vermeldt gevallen waarin ad-hoc optimalisaties het energieverbruik van machines voor repetitieve taken reduceren tot 50% door geoptimaliseerde trajecten te kiezen boven de gebruikelijke standaardbewegingsprofielen. Er bestaat echter geen wetenschappelijke consensus over een computationeel efficiënte techniek die kan garanderen dat het globale optimum voor systemen met variërende mechanische belastingseigenschappen kan worden gevonden. Daarom zal dit project het gebruik en de implementatie van directe calculus optimalisatie onderzoeken. Het toepassen van deze zuivere wiskundige techniek, gebaseerd op symbolische methoden voor trajectoptimalisatie, zou een fundamentele doorbraak zijn op het vlak van trajectoptimalisatie voor machines met positie variabele mechanische belastingseigenschappen. Dit zou onmiddellijk tijdrovende iteratieve optimalisatiemethodes overbodig maken. Om het gebruik van deze directe rekenmethodes mogelijk te maken, zijn gesloten wiskundige vergelijkingen nodig waarin de positieafhankelijke mechanische belastingeigenschappen worden beschreven. Het verkrijgen van dergelijke functies kan theoretisch op basis van Lagrange vergelijkingen. Een dergelijke aanpak is in de praktijk echter niet haalbaar wanneer de complexiteit van de machines analytische analyse belemmert. Anderzijds maken machinebouwers steeds meer gebruik van CAD multibody software om hun machines te ontwerpen. De promotor heeft expertise in het extraheren van data door specifieke simulaties toe te passen op deze virtuele CAD-modellen. De op deze manier verkregen bemonsterde gegevens kunnen worden vertaald naar expliciete formules, gebaseerd op de expertise van de co-promotor. Het ontwikkelen van een dergelijke techniek om de bemonsterde gegevens om te zetten in gesloten wiskundige vergelijkingen zal een centrale uitdaging zijn van het project en de belangrijkste enabler om direct calculus optimalisatie toe te passen. Om er bovendien voor te zorgen dat de machine optimaal blijft werken als het gedrag van de belasting tijdens het gebruik verandert, is een online tracking methode noodzakelijk. Hiervoor is de kennis van de promotor over het online bijhouden van de positieafhankelijkheid van machineparameters in het frequentiedomein essentieel. De aldus verkregen gegevensmonsters zullen opnieuw vertaald worden naar een wiskundige beschrijving om een heroptimalisatie van het traject mogelijk te maken. De directe calculusoptimalisatie maakt het mogelijk om het optimaal pad te definiëren in functie van positievariabele mechanische parameters. Deze definitie maakt een directe heroptimalisatie mogelijk. Daar waar de huidige stand van de techniek gericht is op offline a priori óf online optimalisatie, is het faciliteren van online heroptimalisatie op basis van eerder bekomen a priori informatie een bijkomende fundamentele bijdrage van dit project.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Optimalisatie van machine ontwerp door virtuele engineering (OPTIMOTION). 01/10/2019 - 30/09/2021

Abstract

Dit project wil als overkoepelende doelstelling snel inzetbare tools en methoden ontwikkelen en aanleren aan de doelgroep om het mechanisch ontwerp van machines en hun aandrijving te optimaliseren. Het optimaliseren van de plaatsing van essentiële machineonderdelen en het optimaal selecteren van aandrijfcomponenten kan het nodige aandrijfkoppel voor een machine minimaliseren. Dit optimalisatiepotentieel kan ten volle benut worden als de motion controller die dit geheel aandrijft oordeelkundig ingesteld wordt. Alle Vlaamse bedrijven die betrokken zijn bij machinebouw opereren in een concurrentiële markt en ondervinden de druk hun machineontwerp te optimaliseren. Meer specifiek wordt dit project gericht op machinebouwers, engineering consultants en aanbieders van aandrijfcomponenten en CAD software.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Opticharge. 01/12/2018 - 30/11/2020

Abstract

In het Opticharge project worden bestaande technologische oplossingen voor de automatisering van laad- en losoperaties in kaart gebracht samen met de vernieuwende oplossingen die in de pijplijn zitten bij technologie providers, onderzoeksinstellingen en universiteiten om vervolgens de link te leggen met de door VIL geïdentificeerde behoeftes hieromtrent bij de deelnemende bedrijven. Bovendien wordt ook een tool ontwikkeld in matrixvorm om de ROI op een eenvoudige manier te kunnen weergeven.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)

Sensorloze control van een BLDC motor voor hoog-efficiente aandrijving door middel van sinussignalen. 01/07/2018 - 31/12/2019

Abstract

Een Brushless DC Machine (BLDC) is de optimale motor voor het aandrijven van toepassingen waar een min of meer constant, gecontroleerd, hoog toerental vereist is. Typische voorbeelden zijn de aandrijving van de compressor van een koelsysteem inclusief koelkasten en airconditioning, de propellers van een drone en ventilatoren en pompen in het algemeen, .... De BLDC is verantwoordelijk voor het leeuwendeel van het energieverbruik van deze toepassingen. Bovendien verbruiken koelsystemen wereldwijd veel energie vanwege hun alomtegenwoordige aanwezigheid. Aan de andere kant is er voor batterij gevoede systemen, zoals drones, een sterk verlangen naar meer autonomie. Dit betekent dat er een sterke wens is om het energieverbruik van BLDC-aangedreven systemen te verminderen. BLDC-motoren worden meestal aangedreven met een blokgolfstroom. Het gebruik van sinusgolfstromen kan echter resulteren in een verhoging van de energie-efficiëntie met 10%. Typische BLDC-systemen beschikken niet over de accurate positieinformatie, nodig om de machine met sinusgolven aan te drijven. Het gebruik van een encoder om deze positieterugkoppeling te verkrijgen, zou de kosten en de complexiteit van het aandrijfsysteem nodeloos verhogen en is vaak onmogelijk omwille van de beperkte montageruimte. Daarom zijn zogenaamde sensorloze algoritmes interessant. Deze schatten de positive op basis van eenvoudig meetbare spanning en stroom. Daarom is de centrale onderzoeksvraag van deze STIMPRO geformuleerd als: De ontwikkeling en implementatie van een sensorloos algoritme om feedback te geven voor een BLDC-aandrijvingsalgoritme met behulp van sinusvormige stroomgolfvormen en de validatie van het energiebesparingspotentieel. Als uitgangspunt zal deze STIMPRO een door de promotor ontwikkeld schattingsalgoritme voor stappenmotoren overwegen voor gebruik in BLDC-aandrijvingen. Deze STIMPRO zal worden gebruikt als een kick-start voor het initiëren van onderzoek naar elektrische motorbesturing aan de Universiteit Antwerpen. De promotor van dit project startte op 1 september 2017 als ZAP aan de UAntwerpen. De bedoeling van deze STIMPRO is om zijn activiteiten omtrent motor controle, uitgebouwd aan de UGent, te initiëren aan de UAntwerpen. Daarom zal deze STIMPRO gebruikt worden om een onderzoeker aan te werven die een FWO SB-voorstel zal indienen. Ook als de FWO-financiering echter wordt afgewezen, zal dit project resulteren in concrete resultaten. Zo moet dit project zeker resulteren in publicaties, een testbank, extra ervaring voor de ingehuurde onderzoeker en de verkenning van mogelijke bilaterale samenwerking met Vlaamse bedrijven omtrent dit onderwerp. Het werk in deze STIMPRO zal gunstig zijn voor de Op3Mech-onderzoeksgroep omdat het toevoegen van onderzoek naar elektrische aandrijvingen van vitaal belang is in het bredere onderzoek naar robotica. Bovendien wordt het onderwijs omtrent aandrijflijnen van de faculteit Toegepaste Ingenieurswetenschappen momenteel niet ondersteund door wetenschappelijk onderzoek. Daarom zijn de onderzoeksactiviteiten die in deze STIMPRO zijn gestart van vitaal belang om het onderwijs omtrent deze onderwerpen te continueren.

Onderzoeker(s)

Onderzoeksgroep(en)