From Deterioration Modeling to Remaining Useful Life Control: a comprehensive framework for post-prognosis decision-making applied to friction drive systems
De la Modélisation de la Détérioration au Contrôle de la Durée de Vie Utile Résiduelle : proposition d'un cadre pour la prise de décision post-pronostic appliquée aux systèmes de transmission par friction
Résumé
Remaining Useful Lifetime (RUL) can be simply defined as a prediction of the re-maining time that a system is able to perform its intended function, from the current time to the final failure. In general, the purpose for predicting the RUL is to influence decision-making for the system. This thesis deals with the development of a comprehensive framework for controlling the RUL of a sys-tem, as a strategy to use the post-prognostic information and act dynamically over the decision-making during operation. Prediction of RUL mostly depends on the state of deterioration of the system com-ponents and their assumed future operating conditions. RUL prediction is an uncertain process and its control is not a trivial task. Model uncertainties as well as system disturbances have been considered into the proposed framework. Friction drive systems are used for illustrating the usefulness of the aforementioned framework. For this kind of system, the friction is the source of mechanical motion and simultaneously the source of deterioration. This double characteristic is a motivation for controlling automatically the deterioration of the system by keeping a trade-off, between motion requirements and desired RUL values. Firstly, a new control-oriented dynamical model of the deterioration is proposed. The amount of deterioration has been considered as a function of the dissipated energy at the contact surfaces, during the mechanical power transmission. An approach for estimating the current deteriora-tion condition of a friction drive system is proposed. The approach is based on an Extended Kalman Filter (EKF), which uses an augmented model including the mechanical dynamical system and the deterioration dynamics. At every time instant, the EKF also provides intervals which surely includes the actual deterioration value with a given probability. A new architecture for controlling the RUL is proposed and includes: a) a deterioration condition monitoring system (for instance the proposed EKF), b) a system operating condition estimator, c) a RUL controller system, and d) a RUL-actuating- principle. The operating condition estimator is based on the assumption that it is possible to quantify certain characteristics of the motion requirements, for instance the duty cycle of motor torques. The RUL controller uses a cost function that weights the motion requirements and the desired RUL values to modify a varying-parameter filter, used here as the RUL-actuating-principle. This RUL-actuating- principle is based on a modification of the demanded torques, coming from a possible motion controller system. Results show that the RULcan be controlled according to the proposed theoretical framework
La durée de vie utile résiduelle (RUL) peut être simplement définie comme une prédiction du temps restant pendant lequel un système est capable d'exécuter sa fonction prévue ; elle est mesurée à partir de l'instant présent jusqu'à la défaillance finale. En général, le but de la prévision de la RUL est d'influencer la prise de décision pour le système. Dans cette thèse, on a présenté un cadre pour le contrôle de la RUL d'un système, en tant que stratégie pour utiliser les informations post-pronostiques et agir dynamiquement sur la prise de décision pendant le fonctionnement. Cette durée prévue dépend principalement de l'état de détérioration des composants du système et de leurs conditions de fonctionnement futures prévues. Ainsi, la prédiction de la RUL est un processus incertain et son contrôle n'est pas une tâche triviale. Les incertitudes du modèle ainsi que les perturbations du système ont été prises en compte dans le cadre proposé. Les systèmes d'entraînement par friction sont utilisés pour illustrer l'utilité du cadre susmentionnée. Pour ce type de système, le frottement est à la fois source du mouvement et source de la détérioration. Ce double caractéristique de frottement est une motivation pour contrôler automatiquement la détérioration du système en gardant un compromis entre les exigences de mouvement et les valeurs RUL souhaitées. Dans cette thèse, un nouveau modèle dynamique de la détérioration orienté au contrôle est proposé. Le degré de détérioration est considéré en fonction de l'énergie dissipée, à la surface de contact, pendant la transmission mécanique de puissance. Une approche est proposée pour estimer l'état actuel de la détérioration d'un système d'entraînement par friction. L'approche est basée sur un Filtre de Kalman Etendu (EKF en anglais) qui utilise un modèle augmenté incluant le système mécanique dynamique et la dynamique de détérioration. L'EKF fournit également des intervalles qui incluent sûrement la valeur de détérioration réelle avec une valeur de probabilité. Une nouvelle architecture de commande de la RUL est proposée, elle comprend : a) un système de surveillance de l'état de détérioration (par exemple l'EKF proposé), b) un estimateur de l'état de fonctionnement du système, c) un système de contrôle de la RUL et d) un principe actionneur de la RUL. L'estimateur des conditions de fonctionnement est basé sur l'hypothèse qu'il est possible de quantifier certaines caractéristiques des exigences de mouvement, par exemple le rapport cyclique des couples moteur. Le contrôleur RUL utilise une fonction de coût qui pondère les exigences de mouvement et les valeurs RUL souhaitées pour modifier un filtre à paramètres variables, utilisé ici comme principe actionneur RUL. Le principe actionneur RUL est basé sur une modification des couples exigés, provenant d'un éventuel système de contrôle de mouvement. Les résultats montrent qu'il est possible de contrôler la RUL, selon le cadre théorique proposé.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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