hig.sePublications
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard-cite-them-right
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • sv-SE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • de-DE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Infinite-Horizon Degradation Control Based on Optimization of Degradation-Aware Cost Function
University of Gävle, Faculty of Engineering and Sustainable Development, Department of Electrical Engineering, Mathematics and Science, Electronics.ORCID iD: 0000-0001-7340-4629
University of Gävle, Faculty of Engineering and Sustainable Development, Department of Electrical Engineering, Mathematics and Science, Electronics.ORCID iD: 0000-0001-5429-7223
2024 (English)In: Mathematics, E-ISSN 2227-7390, Vol. 12, no 5, article id 729Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Controlling machine degradation enhances the accuracy of the remaining-useful-life estimation and offers the ability to control failure type and time. In order to achieve optimal degradation control, the system controller must be cognizant of the consequences of its actions by considering the degradation each action imposes on the system. This article presents a method for designing cost-aware controllers for linear systems, to increase system reliability and availability through degradation control. The proposed framework enables learning independent of the system's physical structure and working conditions, enabling controllers to choose actions that reduce system degradation while increasing system lifetime. To this end, the cost of each controller's action is calculated based on its effect on the state of health. A mathematical structure is proposed, to incorporate these costs into the cost function of the linear-quadratic controller, allowing for optimal feedback for degradation control. A simulation validates the proposed method, demonstrating that the optimal-control method based on the proposed cost function outperforms the linear-quadratic regulator in several ways.

Place, publisher, year, edition, pages
MDPI , 2024. Vol. 12, no 5, article id 729
Keywords [en]
reliability control, degradation control, state-of-health control, improve production reliability, fault control
National Category
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:hig:diva-43950DOI: 10.3390/math12050729ISI: 001180985400001Scopus ID: 2-s2.0-85187486451OAI: oai:DiVA.org:hig-43950DiVA, id: diva2:1846885
Available from: 2024-03-25 Created: 2024-03-25 Last updated: 2024-12-17Bibliographically approved
In thesis
1. Health-Aware Control
Open this publication in new window or tab >>Health-Aware Control
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Health-aware control is essential for enhancing the longevity and efficiency of complex systems by integrating machine health metrics into production and maintenance planning. Traditional methods often treat production and maintenance as separate tasks, overlooking their interdependencies and thus failing to achieve optimal system performance. A key challenge in addressing this problem and considering the mutual effects of production and maintenance is establishing a cohesive framework that bidirectionally connects high-level decision-making with low-level operational control, optimizing production and maintenance at the same time. To address this challenge, the shop-floor machinery must be aware of its state of health (SOH), and the high-level planning should be able to include this information about SOH as an influential parameter in production planning. Doing this involves not only developing physically interpretable and cost-effective methods for identifying degradation but also implementing adaptive control strategies that respond to real-time conditions. Moreover, it is critical to study how lifespan control affects other system parameters to ensure optimal performance. To this end, this research first tackles the challenges in identifying and controlling degradation at the shop-floor level. It then bridges the gap between high- and low-level control by proposing a framework that integrates both levels into a unified, health-aware production and maintenance system. The thesis first explores the controllability of machine lifespan in interconnected systems. It then proposes methods for identifying degradation as a physically interpretable and controllable system parameter. The thesis further investigates the application of advanced control strategies such as model predictive control and linear quadratic regulators to manage degradation at both the low and high levels. A novel contribution is made by introducing the concept of state-action cost estimation for degradation cost, which links machine degradation directly to control actions, allowing for real-time degradation management without the need for costly physical modeling. The proposed approach is validated through simulations of various industrial systems and publicly accessible datasets, demonstrating its capability to optimize machine health and performance while maintaining product quality and minimizing degradation. Finally, bridging the gap between high-level strategic planning and low-level operational execution, this thesis provides a pathway to more efficient and resilient manufacturing systems where health-aware control is fully integrated.

Abstract [sv]

Statusmedveten reglering är väsentlig för att förbättra livslängden och effektiviteten hos komplexa system genom att integrera maskinens hälsotillstånd i produktions- och underhållsplaneringen. Traditionella metoder behandlar ofta produktion och underhåll som separata uppgifter, vilket bortser från deras ömsesidiga beroenden och därmed misslyckas med att uppnå optimal systemprestanda. En nyckelutmaning i att adressera detta problem och beakta de ömsesidiga effekterna av produktion och underhåll är att etablera ett sammanhängande ramverk som, i båda riktningar, kopplar samman beslutsfattande på hög nivå med operativ reglering på låg nivå, optimerar produktion och underhåll och gör det möjligt att följa planen vid varje tillfälle. För att möta denna utmaning måste maskinerna på verkstadsgolvet vara medvetna om sitt hälsotillstånd (SOH), och högnivåplaneringen måste kunna inkludera denna information som en inflytelserik parameter i produktionsplaneringen. Att göra detta innebär inte bara att utveckla fysiskt tolkningsbara och kostnadseffektiva metoder för att identifiera försämring av SOH utan också att implementera adaptiva styrstrategier som agerar i realtid. Dessutom är det kritiskt att studera hur styrning av livslängd påverkar andra systemparametrar för att säkerställa optimal prestanda. För detta ändamål adresserar denna forskning först begränsningar i identifiering och kontroll av förslitningar på verkstadsgolvnivå och fyller sedan gapet mellan hög- och lågnivåstyrning genom att föreslå ett ramverk som integrerar båda nivåerna i ett sammanhängande, statusmedvetet produktions och underhållssystem. Avhandlingen utforskar först styrbarheten av maskinens livslängd i sammankopplade system. Den föreslår sedan metoder för att identifiera försämring av SOH som en fysiskt tolkningsbar och kontrollerbar systemparameter. Avhandlingen undersöker vidare tillämpningen av avancerade styrstrategier såsom modellprediktiv styrning och linjär kvadratisk reglering för att hantera förslitning på både låg och hög nivå. Ett nyskapande bidrag görs genom att introducera konceptet med en kostnadsestimering av förslitning baserad på både maskinens tillstånd och handling, vilket länkar maskinförsämring direkt till styråtgärder. Det möjliggör i sin tur reglering i realtid av förslitningar utan behov av kostsam fysikalisk modellering. Den föreslagna metoden valideras genom simuleringar av olika industriella system och offentligt tillgängliga dataset. Resultaten visar dess förmåga att optimera maskinhälsa och prestanda samtidigt som produktkvaliteten upprätthålls och förslitningarna minimeras. Slutligen, genom att överbrygga gapet mellan högnivå strategisk planering och lågnivå operativ exekvering, erbjuder denna avhandling en väg till mer effektiva och resilienta tillverkningssystem där statusmedveten styrning är fullt integrerad.

Place, publisher, year, edition, pages
Gävle: Gävle University Press, 2024. p. 70
Series
Doctoral thesisDoctoral thesis ; 53
Keywords
health-aware control, degradation control, state-of-health control, lifespan planning, production and maintenance planning, statusmedveten reglering, försämringskontroll, livslängdsplanering, produktions- och underhållsplanering
National Category
Control Engineering Reliability and Maintenance Production Engineering, Human Work Science and Ergonomics
Research subject
Intelligent Industry
Identifiers
urn:nbn:se:hig:diva-45854 (URN)978-91-89593-48-0 (ISBN)978-91-89593-49-7 (ISBN)
Public defence
2025-01-15, 12:108, Kungsbäcksvägen 47, Gävle, 13:00
Opponent
Supervisors
Available from: 2024-12-17 Created: 2024-10-16 Last updated: 2025-01-20

Open Access in DiVA

fulltext(7372 kB)250 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 7372 kBChecksum SHA-512
d6d18c1caf3a93796f7b77337afc3f1b1f088580e3a892fb8f3693ae871e285575cc8468e33444b0310b5ea349dd172522bba8bd5ebdba729a2c3ab835c4c9ef
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Hosseinzadeh Dadash, AmirhosseinBjörsell, Niclas

Search in DiVA

By author/editor
Hosseinzadeh Dadash, AmirhosseinBjörsell, Niclas
By organisation
Electronics
In the same journal
Mathematics
Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 250 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 578 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard-cite-them-right
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • sv-SE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • de-DE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf