7 lutego 2025 - Seminarium mgr inż. Sandry Zarychty

Zapraszamy na seminarium doktorskie mgr inź. Sandry Zarychty, które odbędzie się w dniu 7 lutego 2025 o godz. 12:00 w sali 221 budynku A22 na Wydziale Mechanicznym.

Tytuł: Numerical method of constrained control optimization for discontinuous systems based on Fourier series

Abstrakt

Capsuboty to urządzenia kapsułkowe zaprojektowane do poruszania się w trudnodostępnych środowiskach. Ich szczególnie interesującą grupą są mechanizmy napędzane ruchem wewnętrznego oscylatora mechanicznego. W takim układzie, siły bezwładności generowane w wyniku interakcji między masą drgającą a głównym korpusem, wraz z tarciem suchym (obecnym między kapsułką a powierzchnią), umożliwiają ruch całego urządzenia bez zewnętrznych części napędowych. Ta cecha
czyni capsuboty obiecującymi w inżynierii, inspekcji rurociągów oraz medycynie, zwłaszcza jako alternatywa dla endoskopii. Jednakże, pomimo postępu technologicznego, skuteczne dotarcie do krytycznych obszarów jelit, przy użyciu takich urządzeń, wciąż pozostaje wyzwaniem. Niezbędne jest więc opracowanie w pełni sterowalnych capsubotów z efektywną strategią sterowania, uwzględniającą koszty operacyjne (np. minimalne zużycie energii) i rzeczywiste ograniczenia (np. maksymalny moment obrotowy silnika). Niestety, klasyczne podejścia do optymalizacji sterowania okazują się niewystarczające, m.in. ze względu na złożoność obliczeń i nieciągłość układu.

W odpowiedzi na te wyzwania, w ramach rozprawy doktorskiej zaproponowano nowatorską metodę optymalizacji sterowania dla układów nieciągłych, opartą o szereg Fouriera. Przekształca ona problem optymalizacji funkcji sterującej w zadanie programowania nieliniowego, w którym optymalizowana jest skończona liczba wyrazów szeregu. W przeciwieństwie do istniejących metod, kształt funkcji sterującej nie jest zakładany a priori, lecz jest optymalizowany jako część procesu.

Zaproponowana metoda optymalizacji sterowania została zastosowana do różnych mechanizmów, w tym kapsuły napędzanej wahadłem odwróconym (optymalizacja wymuszenia okresowego). W pierwszym etapie opracowano sterowanie w pętli otwartej, wykazując elastyczność i prostotę algorytmu w rozwiązywaniu problemów optymalizacji dla układów nieciągłych, wymagając minimalnych informacji o obiekcie sterowania. Następnie wdrożono sterowanie w pętli zamkniętej z wykorzystaniem sieci neuronowej, które poprawiło odporność na zmienność współczynnika tarcia. Kolejnym krokiem było podejście iteracyjne, które eliminowało ograniczenia otwartego sterowania i zapewniało nie pogarszającą się jakość rozwiązań wraz ze wzrostem liczby harmonicznych w procesie optymalizacji. W walidacji eksperymentalnej potwierdzono skuteczność algorytmu przy
użyciu zaprojektowanego prototypu. Wyniki wykazały wysoką zgodność między eksperymentem a symulacją numeryczną, oraz odporność metody na zakłócenia podczas ruchu urządzenia.

W ramach pracy doktorskiej wykazano, że opracowany algorytm jest zarówno prosty, jak
i łatwy do wdrożenia, skutecznie rozwiązując problem sterowania optymalnego w niegładkich i nieciągłych układach mechanicznych. Ponadto, zaproponowana metoda optymalizacji sterowania wykazuje wysoki potencjał, aby znacząco poprawiać wydajność takich systemów, w szczególności capsubotów, otwierając nowe możliwości w mechanice klasycznej i teorii sterowania.