A neural network approach for robust nonlinear parameter estimation in presence of unknown-but-bounded errors

Systems based on artificial neural networks have high computational rates due to the use of a massive number of simple processing elements and the high degree of connectivity between these elements. This paper presents a novel approach to solve robust parameter estimation problem for nonlinear model with unknown-but-bounded errors and uncertainties. More specifically, a modified Hopfield network is developed and its internal parameters are computed using the valid-subspace technique. These parameters guarantee the network convergence to the equilibrium points. A solution for the robust estimation problem with unknown-but-bounded error corresponds to an equilibrium point of the network. Simulation results are presented as an illustration of the proposed approach. Copyright (C) 2000 IFAC.

Identification of synchronous machine parameters using load rejection test data

This work shows a computational methodology for the determination of synchronous machines parameters using load rejection test data. By machine modeling one can obtain the quadrature parameters through a load rejection under an arbitrary reference, reducing the present difficulties. The proposed method is applied to a real machine.

Experimental model identification of open-frame underwater vehicles

Most of the works published on hydrodynamic parameter identification of open-frame underwater vehicles focus their attention almost exclusively on good coherence between simulated and measured responses, giving less importance to the determination of “actual values” for hydrodynamic parameters. To gain insight into hydrodynamic parameter experimental identification of open-frame underwater vehicles, an experimental identification procedure is proposed here to determine parameters of uncoupled and coupled models. The identification procedure includes: (i) a prior estimation of actual values of the forces/torques applied to the vehicle, (ii) identification of drag parameters from constant velocity tests and (iii) identification of inertia and coupling parameters from oscillatory tests; at this stage, the estimated values of drag parameter obtained in item (ii) are used. The procedure proposed here was used to identify the hydrodynamic parameters of LAURS—an unmanned underwater vehicle developed at the University of São Paulo. The thruster–thruster and thruster–hull interactions and the advance velocity of the vehicle are shown to have a strong impact on the efficiency of thrusters appended to open-frame underwater vehicles, especially for high advance velocities. Results of tests with excitation in 1-DOF and 3-DOF are reported and discussed, showing the feasibility of the developed procedure.

An experiment on the parameter uncertainty of hydrological models with different levels of complexity in a climate change context

La possibilité d’estimer l’impact du changement climatique en cours sur le comportement hydrologique des hydro-systèmes est une nécessité pour anticiper les adaptations inévitables et nécessaires que doivent envisager nos sociétés. Dans ce contexte, ce projet doctoral présente une étude sur l’évaluation de la sensibilité des projections hydrologiques futures à : (i) La non-robustesse de l’identification des paramètres des modèles hydrologiques, (ii) l’utilisation de plusieurs jeux de paramètres équifinaux et (iii) l’utilisation de différentes structures de modèles hydrologiques. Pour quantifier l’impact de la première source d’incertitude sur les sorties des modèles, quatre sous-périodes climatiquement contrastées sont tout d’abord identifiées au sein des chroniques observées. Les modèles sont calés sur chacune de ces quatre périodes et les sorties engendrées sont analysées en calage et en validation en suivant les quatre configurations du Different Splitsample Tests (Klemeš, 1986;Wilby, 2005; Seiller et al. (2012);Refsgaard et al. (2014)). Afin d’étudier la seconde source d’incertitude liée à la structure du modèle, l’équifinalité des jeux de paramètres est ensuite prise en compte en considérant pour chaque type de calage les sorties associées à des jeux de paramètres équifinaux. Enfin, pour évaluer la troisième source d’incertitude, cinq modèles hydrologiques de différents niveaux de complexité sont appliqués (GR4J, MORDOR, HSAMI, SWAT et HYDROTEL) sur le bassin versant québécois de la rivière Au Saumon. Les trois sources d’incertitude sont évaluées à la fois dans conditions climatiques observées passées et dans les conditions climatiques futures. Les résultats montrent que, en tenant compte de la méthode d’évaluation suivie dans ce doctorat, l’utilisation de différents niveaux de complexité des modèles hydrologiques est la principale source de variabilité dans les projections de débits dans des conditions climatiques futures. Ceci est suivi par le manque de robustesse de l’identification des paramètres. Les projections hydrologiques générées par un ensemble de jeux de paramètres équifinaux sont proches de celles associées au jeu de paramètres optimal. Par conséquent, plus d’efforts devraient être investis dans l’amélioration de la robustesse des modèles pour les études d’impact sur le changement climatique, notamment en développant les structures des modèles plus appropriés et en proposant des procédures de calage qui augmentent leur robustesse. Ces travaux permettent d’apporter une réponse détaillée sur notre capacité à réaliser un diagnostic des impacts des changements climatiques sur les ressources hydriques du bassin Au Saumon et de proposer une démarche méthodologique originale d’analyse pouvant être directement appliquée ou adaptée à d’autres contextes hydro-climatiques.

An approach based on neural networks for estimation and generalization of crossflow filtration processes

The crossflow filtration process differs of the conventional filtration by presenting the circulation flow tangentially to the filtration surface. The conventional mathematical models used to represent the process have some limitations in relation to the identification and generalization of the system behaviour. In this paper, a system based on artificial neural networks is developed to overcome the problems usually found in the conventional mathematical models. More specifically, the developed system uses an artificial neural network that simulates the behaviour of the crossflow filtration process in a robust way. Imprecisions and uncertainties associated with the measurements made on the system are automatically incorporated in the neural approach. Simulation results are presented to justify the validity of the proposed approach. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

The effect of flow arrangement on the pressure drop of plate heat exchangers

For the optimal design of plate heat exchangers (PHEs), an accurate thermal-hydraulic model that takes into account the effect of the flow arrangement on the heat load and pressure drop is necessary. In the present study, the effect of the flow arrangement on the pressure drop of a PHE is investigated. Thirty two different arrangements were experimentally tested using a laboratory scale PHE with flat plates. The experimental data was used for (a) determination of an empirical correlation for the effect of the number of passes and number of flow channels per pass on the pressure drop; (b) validation of a friction factor model through parameter estimation; and (c) comparison with the simulation results obtained with a CFD (computational fluid dynamics) model of the PHE. All three approaches resulted in a good agreement between experimental and predicted values of pressure drop. Moreover, the CFD model is used for evaluating the flow maldistribution in a PHE with two channels Per Pass. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Model-based analysis of anaerobic acetate uptake by a mixed culture of polyphosphate-accumulating and glycogen-accumulating organisms

An increasing number of studies shows that the glycogen-accumulating organisms (GAOs) can survive and may indeed proliferate under the alternating anaerobic/aerobic conditions found in EBPR systems, thus forming a strong competitor of the polyphosphate-accumulating organisms (PAOs). Understanding their behaviors in a mixed PAO and GAO culture under various operational conditions is essential for developing operating strategies that disadvantage the growth of this group of unwanted organisms. A model-based data analysis method is developed in this paper for the study of the anaerobic PAO and GAO activities in a mixed PAO and GAO culture. The method primarily makes use of the hydrogen ion production rate and the carbon dioxide transfer rate resulting from the acetate uptake processes by PAOs and GAOs, measured with a recently developed titration and off-gas analysis (TOGA) sensor. The method is demonstrated using the data from a laboratory-scale sequencing batch reactor (SBR) operated under alternating anaerobic and aerobic conditions. The data analysis using the proposed method strongly indicates a coexistence of PAOs and GAOs in the system, which was independently confirmed by fluorescent in situ hybridization (FISH) measurement. The model-based analysis also allowed the identification of the respective acetate uptake rates by PAOs and GAOs, along with a number of kinetic and stoichiometric parameters involved in the PAO and GAO models. The excellent fit between the model predictions and the experimental data not involved in parameter identification shows that the parameter values found are reliable and accurate. It also demonstrates that the current anaerobic PAO and GAO models are able to accurately characterize the PAO/GAO mixed culture obtained in this study. This is of major importance as no pure culture of either PAOs or GAOs has been reported to date, and hence the current PAO and GAO models were developed for the interpretation of experimental results of mixed cultures. The proposed method is readily applicable for detailed investigations of the competition between PAOs and GAOs in enriched cultures. However, the fermentation of organic substrates carried out by ordinary heterotrophs needs to be accounted for when the method is applied to the study of PAO and GAO competition in full-scale sludges. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

Modelação de células de combustível

Neste trabalho serão apresentados e discutidos vários aspectos relacionados com células de combustível, com particular enfoque na modelação de células de combustível de membrana de permuta protónica. Este trabalho está dividido em vários capítulos. No Capítunlo 1 são apresentadas as motivações e os objectivos da tese. No Capítulo 2 serão apresentadas as células de combustível em geral, a sua origem, os diversos tipos, o que as diferencia das restantes tecnologias de geração de energia e as suas vantagens e desvantagens. No Capítulo 3 discute-se a modelação de células de combustível. Serão expostos e explicados os diferentes tipos de modelos, seguindo-se uma apresentação do modelo selecionado para estudo, com referência aos fundamentos teóricos exposição detalhada da fórmulação matemática e os parâmetros que caracterizam o modelo. É também apresentado a implementação do modelo em Matlab/Simulink. No Capítulo 4 será discutida e apresentada a abordagem utilizada para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combustível. Propõe-se e prova-se que uma abordagem baseada num algoritmo de optimização inteligente proporciona um método eficaz e preciso para a identificação dos parâmetros. Esta abordagem requer a existência de alguns dados experimentais que são também apresentados. O algoritmo utilizado designa-se por Optimização por Enxame de Partículas – Particle Swarm Optimization (PSO). São apresentados os seus fundamentos, características, implementação em Matlab/Simulink e a estratégia de optimização, isto é, a configuração do algoritmo, a definição da função objectivo e limites de variação dos parâmetros. São apresentados os resultados do processo de optimização, resultados adicionais de validação do modelo, uma análise de robustez do conjunto óptimo de parâmetros e uma análise de sensibilidade dos mesmos. O trabalho termina apresentando, no último capítulo, algumas conclusões, das quais se destacam: - O bom desempenho do algoritmo PSO para a identificação dos parâmetros do modelo da célula de combsutível; - Uma robustez interessante do algoritmo PSO, no sentido em que, para várias execuções do método resultam valores do parâmetros e da função objectivo com variabilidade bastante reduzidas; - Um bom modelo da célula de combustível, que quando caracterizado pelo conjunto óptimo de parâmetros, apresenta, sistematicamente, erros relativos médios inferiores a 2,5% para um conjunto alargado de condições de funcionamento.

Fractional order inductive phenomena based on the skin effect

The Maxwell equations play a fundamental role in the electromagnetic theory and lead to models useful in physics and engineering. This formalism involves integer-order differential calculus, but the electromagnetic diffusion points towards the adoption of a fractional calculus approach. This study addresses the skin effect and develops a new method for implementing fractional-order inductive elements. Two genetic algorithms are adopted, one for the system numerical evaluation and another for the parameter identification, both with good results.

Simulation of a-Si PV system grid connected by boost and inverter

This paper is about a PV system connected to the electric grid by power electronic converters, using classical PI controller. The modelling for the converters emulates the association of a DC-DC boost with a two-level power inverter (TwLI) or three-level power inverter (ThLI) in order to follow the performance of a testing experimental system. Pulse width modulation (PWMo) by sliding mode control (SMCo) associated with space vector modulation (SVMo) is applied to the boost and the inverter. The PV system is described by the five parameters equivalent circuit. Parameter identification and simulation studies are performed for comparison with the testing experimental system.

Quantified set inversion with applications to control

This paper describes a new reliable method, based on modal interval analysis (MIA) and set inversion (SI) techniques, for the characterization of solution sets defined by quantified constraints satisfaction problems (QCSP) over continuous domains. The presented methodology, called quantified set inversion (QSI), can be used over a wide range of engineering problems involving uncertain nonlinear models. Finally, an application on parameter identification is presented

Error Modeling and Accuracy Analysis of a Novel Mobile Hybrid Parallel Robot

Over the last decades, calibration techniques have been widely used to improve the accuracy of robots and machine tools since they only involve software modification instead of changing the design and manufacture of the hardware. Traditionally, there are four steps are required for a calibration, i.e. error modeling, measurement, parameter identification and compensation. The objective of this thesis is to propose a method for the kinematics analysis and error modeling of a newly developed hybrid redundant robot IWR (Intersector Welding Robot), which possesses ten degrees of freedom (DOF) where 6-DOF in parallel and additional 4-DOF in serial. In this article, the problem of kinematics modeling and error modeling of the proposed IWR robot are discussed. Based on the vector arithmetic method, the kinematics model and the sensitivity model of the end-effector subject to the structure parameters is derived and analyzed. The relations between the pose (position and orientation) accuracy and manufacturing tolerances, actuation errors, and connection errors are formulated. Computer simulation is performed to examine the validity and effectiveness of the proposed method.

The Competitive Analysis of Selected Biorefineries in Finland

Biorefineries is a perspective field of study that covers many opportunities of a successful business unit with respect to sustainability. The thesis focuses on the following key objective: identification of a competitive biorefineries production process in small and medium segments of the chemical and forest industries in Finland. The scope of the research relates to the selected biorefineries operations in Finland and the use of hemicellulose, as a raw material. The identification of the types of biorefineries and the important technical and process characteristics opens the advantage in the company’s competitive analysis. The study concentrates on the practical approach to the scientific methods of the market and companies research with the help of Quality Function Deployment and House of Quality tool. The thesis’s findings provide mindset version of the expert’s House of Quality application, identification of crucial biorefineries technical and design characteristics’ correlation and their effect on the competitive behavior of a company. The theoretical background helps to build the picture of the problematic issues within the field and provides scientific possible solutions. The analysis of the biorefineries’ market and companies operations bring the practical-oriented aptitude of the research. The results of the research can be used for the following investigations in a field and may be applied as a company’s management analytic and strategic application.

Überwachung der Vorspannkraft Externer Spannglieder mit Hilfe der Modalanalyse

Aufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Dauerhaftigkeit und Bauwerkssicherheit ist in Deutschland seit 1998 die externe Vorspannung in Hohlkastenbrücken zur Regelbauweise geworden. Durch Verwendung der austauschbaren externen Vorspannung verspricht man sich im Brückenbau weitere Verbesserungen der Robustheit und damit eine Verlängerung der Lebensdauer. Trotz des besseren Korrosionsschutzes im Vergleich zur internen Vorspannung mit Verbund sind Schäden nicht völlig auszuschließen. Um die Vorteile der externen Vorspannung zu nutzen, ist daher eine periodische Überwachung der Spanngliedkräfte, z. B. während der Hauptprüfung des Bauwerks, durchzuführen. Für die Überwachung der Spanngliedkräfte bei Schrägseilbrücken haben sich die Schwingungsmessmethoden als wirtschaftlich und leistungsfähig erwiesen. Für die Übertragung der Methode auf den Fall der externen Vorspannung, wo kürzere Schwingungslängen vorliegen, waren zusätzliche Untersuchungen hinsichtlich der effektiven Schwingungslänge, der Randbedingungen sowie der effektiven Biegesteifigkeit erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Modellkorrekturverfahren, basierend auf der iterativen Anpassung eines F.E.-Modells an die identifizierten Eigenfrequenzen und Eigenformen des Spanngliedes, für die Bestimmung der Spanngliedkräfte verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht die Berücksichtigung der Parameter (Schwingungslänge, Randbedingungen und effektive Biegesteifigkeit) bei der Identifikation der effektiven Spanngliedkräfte. Weiterhin ist eine Modellierung jeder beliebigen Spanngliedausbildung, z. B. bei unterschiedlichen Querschnitten in den Verankerungs- bzw. Umlenkbereichen, gewährleistet. Zur Anwendung bei der Ermittlung der Spanngliedkräfte wurde eine spezielle Methode, basierend auf den besonderen dynamischen Eigenschaften der Spannglieder, entwickelt, bei der die zuvor genannten Parameter innerhalb jedes Iterationsschrittes unabhängig korrigiert werden, was zur Robustheit des Identifikationsverfahrens beiträgt. Das entwickelte Verfahren ist in einem benutzerfreundlichen Programmsystem implementiert worden. Die erzielten Ergebnisse wurden mit dem allgemeinen Identifikationsprogramm UPDATE_g2 verglichen; dabei ist eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt worden. Beim selbst entwickelten Verfahren wird die benötigte Rechenzeit auf ca. 30 % reduziert [100 sec à 30 sec]. Es bietet sich daher für die unmittelbare Auswertung vor Ort an. Die Parameteridentifikationsverfahren wurden an den Spanngliedern von insgesamt sechs Brücken (vier unterschiedliche Spannverfahren) angewendet. Die Anzahl der getesteten Spannglieder beträgt insgesamt 340. Die Abweichung zwischen den durch Schwingungs-messungen identifizierten und gemessenen (bei einer Brücke durch eine Abhebekontrolle) bzw. aufgebrachten Spanngliedkräften war kleiner als 3 %. Ferner wurden die Auswirkungen äußerer Einflüsse infolge Temperaturschwankungen und Verkehr bei den durchgeführten Messungen untersucht. Bei der praktischen Anwendung sind Besonderheiten aufgetreten, die durch die Verwendung des Modellkorrekturverfahrens weitgehend erfasst werden konnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung dieses Verfahrens die Genauigkeit im Vergleich mit den bisherigen Schwingungsmessmethoden beachtlich erhöht. Ferner wird eine Erweiterung des Anwendungsbereiches auch auf Spezialfälle (z. B. bei einem unplanmäßigen Anliegen) gewährleistet.

Neuartige Verfahren für die Überwachung und Diagnose von aktiv magnetgelagerten rotierenden Maschinen

Mit aktiven Magnetlagern ist es möglich, rotierende Körper durch magnetische Felder berührungsfrei zu lagern. Systembedingt sind bei aktiv magnetgelagerten Maschinen wesentliche Signale ohne zusätzlichen Aufwand an Messtechnik für Diagnoseaufgaben verfügbar. In der Arbeit wird ein Konzept entwickelt, das durch Verwendung der systeminhärenten Signale eine Diagnose magnetgelagerter rotierender Maschinen ermöglicht und somit neben einer kontinuierlichen Anlagenüberwachung eine schnelle Bewertung des Anlagenzustandes gestattet. Fehler können rechtzeitig und ursächlich in Art und Größe erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Anhand der erfassten Signale geschieht die Gewinnung von Merkmalen mit signal- und modellgestützten Verfahren. Für den Magnetlagerregelkreis erfolgen Untersuchungen zum Einsatz modellgestützter Parameteridentifikationsverfahren, deren Verwendbarkeit wird bei der Diagnose am Regler und Leistungsverstärker nachgewiesen. Unter Nutzung von Simulationsmodellen sowie durch Experimente an Versuchsständen werden die Merkmalsverläufe im normalen Referenzzustand und bei auftretenden Fehlern aufgenommen und die Ergebnisse in einer Wissensbasis abgelegt. Diese dient als Grundlage zur Festlegung von Grenzwerten und Regeln für die Überwachung des Systems und zur Erstellung wissensbasierter Diagnosemodelle. Bei der Überwachung werden die Merkmalsausprägungen auf das Überschreiten von Grenzwerten überprüft, Informationen über erkannte Fehler und Betriebszustände gebildet sowie gegebenenfalls Alarmmeldungen ausgegeben. Sich langsam anbahnende Fehler können durch die Berechnung der Merkmalstrends mit Hilfe der Regressionsanalyse erkannt werden. Über die bisher bei aktiven Magnetlagern übliche Überwachung von Grenzwerten hinaus erfolgt bei der Fehlerdiagnose eine Verknüpfung der extrahierten Merkmale zur Identifizierung und Lokalisierung auftretender Fehler. Die Diagnose geschieht mittels regelbasierter Fuzzy-Logik, dies gestattet die Einbeziehung von linguistischen Aussagen in Form von Expertenwissen sowie die Berücksichtigung von Unbestimmtheiten und ermöglicht damit eine Diagnose komplexer Systeme. Für Aktor-, Sensor- und Reglerfehler im Magnetlagerregelkreis sowie Fehler durch externe Kräfte und Unwuchten werden Diagnosemodelle erstellt und verifiziert. Es erfolgt der Nachweis, dass das entwickelte Diagnosekonzept mit beherrschbarem Rechenaufwand korrekte Diagnoseaussagen liefert. Durch Kaskadierung von Fuzzy-Logik-Modulen wird die Transparenz des Regelwerks gewahrt und die Abarbeitung der Regeln optimiert. Endresultat ist ein neuartiges hybrides Diagnosekonzept, welches signal- und modellgestützte Verfahren der Merkmalsgewinnung mit wissensbasierten Methoden der Fehlerdiagnose kombiniert. Das entwickelte Diagnosekonzept ist für die Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und Anwendungen bei rotierenden Maschinen konzipiert.