Indirect System Identification for Unknown Input Problems : With Applications to Ships

• Main Author: Linder, Jonas
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Linköpings universitet, Reglerteknik 2017
• Subjects: System identification; Model structure; Unknown inputs; Indirect input measurements; Physical models; Instrumental variable; Closed loop; Graybox model; Identifiability; Ship; Marine vessel; Operational safety; Inertial measurement unit
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-134126; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789176855881

System identification is used in engineering sciences to build mathematical models from data. A common issue in system identification problems is that the true inputs to the system are not fully known. In this thesis, existing approaches to unknown input problems are classified and some of their properties are analyzed.  A new indirect framework is proposed to treat system identification problems with unknown inputs. The effects of the unknown inputs are assumed to be measured through possibly unknown dynamics. Furthermore, the measurements may also be dependent on other known or measured inputs and can in these cases be called indirect input measurements. Typically, these indirect input measurements can arise when a subsystem of a larger system is of interest and only a limited set of sensors is available. Two examples are when it is desired to estimate parts of a mechanical system or parts of a dynamic network without full knowledge of the signals in the system. The input measurements can be used to eliminate the unknown inputs from a mathematical model of the system through algebraic manipulations. The resulting indirect model structure only depends on known and measured signals and can be used to estimate the desired dynamics or properties. The effects of using the input measurements are analyzed in terms of identifiability, consistency and variance properties. It is shown that cancelation of shared dynamics can occur and that the resulting estimation problem is similar to errors-in-variables and closed-loop estimation problems because of the noisy inputs used in the model. In fact, the indirect framework unifies a number of already existing system identification problems that are contained as special cases. For completeness, an instrumental variable method is proposed as one possibility for estimating the indirect model. It is shown that multiple datasets can be used to overcome certain identifiability issues and two approaches, the multi-stage and the joint identification approach, are suggested to utilize multiple datasets for estimation of models. Furthermore, the benefits of using the indirect model in filtering and for control synthesis are briefly discussed.  To show the applicability, the framework is applied to the roll dynamics of a ship for tracking of the loading conditions. The roll dynamics is very sensitive to changes in these conditions and a worst-case scenario is that the ship will capsize.  It is assumed that only motion measurements from an inertial measurement unit (IMU) together with measurements of the rudder angle are available. The true inputs are thus not available, but the measurements from the IMU can be used to form an indirect model from a well-established ship model. It is shown that only a subset of the unknown parameters can be estimated simultaneously. Data was collected in experiments with a scale ship model in a basin and the joint identification approach was selected for this application due to the properties of the model. The approach was applied to the collected data and gave promising results. === Till skillnad från många andra industrier där avancerade styrsystem har haft en omfattande utveckling under de senaste decennierna så har styrsystem för skepps- och marinindustrin inte alls utvecklats i samma utsträckning. Det är framförallt under de senaste 10 åren som lagkrav och stigande driftskostnader har ökat intresset för effektivitet och säkerhet genom användning av styrsystem. Rederier och den marina industrin är nu intresserade av hur de avancerade styrsystem som används inom andra områden kan tillämpas för marina ändamål. Huvudmålet är typiskt att minska den totala energianvändningen, och därmed också bränsleförbrukningen, genom att hela tiden planera om hur skeppet skall användas med hjälp av ny information samt styra skeppet och dess ingående system på ett sätt som maximerar effektiviteten. För många av dessa avancerade styrsystem är det grundläggande att ha en god förståelse för beteendet hos det systemet som skall styras. Ofta används matematiska modeller av systemet för detta ändamål. Sådana modeller kan skapas genom att observera hur systemet reagerar på yttre påverkan och använda dessa observationer för att finna eller skatta den modell som bäst beskriver observationerna. Observationerna är mätningar som görs med så kallade sensorer och tekniken att skapa modeller från mätningarna kallas för systemidentifiering. Detta är i grunden ett utmanande problem och det kan försvåras ytterligare om de sensorer som behövs inte finns tillgängliga eller är för dyra att installera. I denna avhandling föreslås en ny teknik där de mätningar som finns tillgängliga används på ett nytt och annorlunda sätt. Detta kan minska mängden nödvändiga sensorer eller möjliggöra användandet av alternativa sensorer i modell-framtagningen. Med hjälp av denna nya teknik kan enkla sensorer användas för att skatta en matematisk modell för en del av skeppet på ett sätt som inte är möjligt med traditionella metoder. Genom att skatta denna modell kan fysikaliska egenskaper hos skeppet, så som dess massa och hur massan är fördelad över skeppet, övervakas för att upptäcka förändringar. Just dessa två egenskaper har stor inverkan på hur skeppet beter sig och om skeppet är fellastat kan det i värsta fall kapsejsa. Vetskapen om dessa fysikaliska egenskaper kan alltså utöver effektivisering användas för att varna besättningen eller påverka styrsystemen så att farliga manövrar undviks. För att visa att tekniken fungerar i verkligheten har den använts på mätningar som har samlats in från ett skalenligt modellskepp. Experimenten utfördes i bassäng och resultaten visar att tekniken fungerar. Denna nya teknik är inte specifik för marint bruk utan kan också vara användbar i andra typer av tillämpningar. Även i dessa tillämpningar möjliggörs användandet av färre eller alternativa sensorer för att skatta modeller. Tekniken kan vara speciellt användbar när en modell av ett system eller process som verkar i ett nätverk av många system är av intresse, något som också diskuteras i avhandlingen.