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    Identification of nonlinear processes based on Wiener-Hammerstein models and heuristic optimization.

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    [ES] En muchos campos de la ingenier铆a los modelos matem谩ticos son utilizados para describir el comportamiento de los sistemas, procesos o fen贸menos. Hoy en d铆a, existen varias t茅cnicas o m茅todos que pueden ser usadas para obtener estos modelos. Debido a su versatilidad y simplicidad, a menudo se prefieren los m茅todos de identificaci贸n de sistemas. Por lo general, estos m茅todos requieren la definici贸n de una estructura y la estimaci贸n computacional de los par谩metros que la componen utilizando un conjunto de procedimientos y mediciones de las se帽ales de entrada y salida del sistema. En el contexto de la identificaci贸n de sistemas no lineales, un desaf铆o importante es la selecci贸n de la estructura. En el caso de que el sistema a identificar presente una no linealidad de tipo est谩tico, los modelos orientados a bloques, pueden ser 煤tiles para definir adecuadamente una estructura. Sin embargo, el dise帽ador puede enfrentarse a cierto grado de incertidumbre al seleccionar el modelo orientado a bloques adecuado en concordancia con el sistema real. Adem谩s de este inconveniente, se debe tener en cuenta que la estimaci贸n de algunos modelos orientados a bloques no es sencilla, como es el caso de los modelos de Wiener-Hammerstein que consisten en un bloque NL en medio de dos subsistemas LTI. La presencia de dos subsistemas LTI en los modelos de Wiener-Hammerstein es lo que principalmente dificulta su estimaci贸n. Generalmente, el procedimiento de identificaci贸n comienza con la estimaci贸n de la din谩mica lineal, y el principal desaf铆o es dividir esta din谩mica entre los dos bloques LTI. Por lo general, esto implica una alta interacci贸n del usuario para desarrollar varios procedimientos, y el modelo final estimado depende principalmente de estas etapas previas. El objetivo de esta tesis es contribuir a la identificaci贸n de los modelos de Wiener-Hammerstein. Esta contribuci贸n se basa en la presentaci贸n de dos nuevos algoritmos para atender aspectos espec铆ficos que no han sido abordados en la identificaci贸n de este tipo de modelos. El primer algoritmo, denominado WH-EA, permite estimar todos los par谩metros de un modelo de Wiener-Hammerstein con un solo procedimiento a partir de un modelo din谩mico lineal. Con WH-EA, una buena estimaci贸n no depende de procedimientos intermedios ya que el algoritmo evolutivo simult谩neamente busca la mejor distribuci贸n de la din谩mica, ajusta con precisi贸n la ubicaci贸n de los polos y los ceros y captura la no linealidad est谩tica. Otra ventaja importante de este algoritmo es que bajo consideraciones espec铆ficas y utilizando una se帽al de excitaci贸n adecuada, es posible crear un enfoque unificado que permite tambi茅n la identificaci贸n de los modelos de Wiener y Hammerstein, que son casos particulares del modelo de Wiener-Hammerstein cuando uno de sus bloques LTI carece de din谩mica. Lo interesante de este enfoque unificado es que con un mismo algoritmo es posible identificar los modelos de Wiener, Hammerstein y Wiener-Hammerstein sin que el usuario especifique de antemano el tipo de estructura a identificar. El segundo algoritmo llamado WH-MOEA, permite abordar el problema de identificaci贸n como un Problema de Optimizaci贸n Multiobjetivo (MOOP). Sobre la base de este algoritmo se presenta un nuevo enfoque para la identificaci贸n de los modelos de Wiener-Hammerstein considerando un compromiso entre la precisi贸n alcanzada y la complejidad del modelo. Con este enfoque es posible comparar varios modelos con diferentes prestaciones incluyendo como un objetivo de identificaci贸n el n煤mero de par谩metros que puede tener el modelo estimado. El aporte de este enfoque se sustenta en el hecho de que en muchos problemas de ingenier铆a los requisitos de dise帽o y las preferencias del usuario no siempre apuntan a la precisi贸n del modelo como un 煤nico objetivo, sino que muchas veces la complejidad es tambi茅n un factor predominante en la toma de decisiones.[CA] En molts camps de l'enginyeria els models matem脿tics s贸n utilitzats per a descriure el comportament dels sistemes, processos o fen貌mens. Hui dia, existeixen diverses t猫cniques o m猫todes que poden ser usades per a obtindre aquests models. A causa de la seua versatilitat i simplicitat, sovint es prefereixen els m猫todes d'identificaci贸 de sistemes. En general, aquests m猫todes requereixen la definici贸 d'una estructura i l'estimaci贸 computacional dels par脿metres que la componen utilitzant un conjunt de procediments i mesuraments dels senyals d'entrada i eixida del sistema. En el context de la identificaci贸 de sistemes no lineals, un desafiament important 茅s la selecci贸 de l'estructura. En el cas que el sistema a identificar presente una no linealitat de tipus est脿tic, els models orientats a blocs, poden ser 煤tils per a definir adequadament una estructura. No obstant aix貌, el dissenyador pot enfrontar-se a cert grau d'incertesa en seleccionar el model orientat a blocs adequat en concordan莽a amb el sistema real. A m茅s d'aquest inconvenient, s'ha de tindre en compte que l'estimaci贸 d'alguns models orientats a blocs no 茅s senzilla, com 茅s el cas dels models de Wiener-Hammerstein que consisteixen en un bloc NL enmig de dos subsistemes LTI. La pres猫ncia de dos subsistemes LTI en els models de Wiener-Hammerstein 茅s el que principalment dificulta la seua estimaci贸. Generalment, el procediment d'identificaci贸 comen莽a amb l'estimaci贸 de la din脿mica lineal, i el principal desafiament 茅s dividir aquesta din脿mica entre els dos blocs LTI. En general, aix貌 implica una alta interacci贸 de l'usuari per a desenvolupar diversos procediments, i el model final estimat dep茅n principalment d'aquestes etapes pr猫vies. L'objectiu d'aquesta tesi 茅s contribuir a la identificaci贸 dels models de Wiener-Hammerstein. Aquesta contribuci贸 es basa en la presentaci贸 de dos nous algorismes per a atendre aspectes espec铆fics que no han sigut adre莽ats en la identificaci贸 d'aquesta mena de models. El primer algorisme, denominat WH-EA (Algorisme Evolutiu per a la identificaci贸 de sistemes de Wiener-Hammerstein), permet estimar tots els par脿metres d'un model de Wiener-Hammerstein amb un sol procediment a partir d'un model din脿mic lineal. Amb WH-EA, una bona estimaci贸 no dep茅n de procediments intermedis ja que l'algorisme evolutiu simult脿niament busca la millor distribuci贸 de la din脿mica, afina la ubicaci贸 dels pols i els zeros i captura la no linealitat est脿tica. Un altre avantatge important d'aquest algorisme 茅s que sota consideracions espec铆fiques i utilitzant un senyal d'excitaci贸 adequada, 茅s possible crear un enfocament unificat que permet tamb茅 la identificaci贸 dels models de Wiener i Hammerstein, que s贸n casos particulars del model de Wiener-Hammerstein quan un dels seus blocs LTI manca de din脿mica. L'interessant d'aquest enfocament unificat 茅s que amb un mateix algorisme 茅s possible identificar els models de Wiener, Hammerstein i Wiener-Hammerstein sense que l'usuari especifique per endavant el tipus d'estructura a identificar. El segon algorisme anomenat WH-MOEA (Algorisme evolutiu multi-objectiu per a la identificaci贸 de models de Wiener-Hammerstein), permet abordar el problema d'identificaci贸 com un Problema d'Optimitzaci贸 Multiobjectiu (MOOP). Sobre la base d'aquest algorisme es presenta un nou enfocament per a la identificaci贸 dels models de Wiener-Hammerstein considerant un comprom铆s entre la precisi贸 aconseguida i la complexitat del model. Amb aquest enfocament 茅s possible comparar diversos models amb diferents prestacions incloent com un objectiu d'identificaci贸 el nombre de par脿metres que pot tindre el model estimat. L'aportaci贸 d'aquest enfocament se sustenta en el fet que en molts problemes d'enginyeria els requisits de disseny i les prefer猫ncies de l'usuari no sempre apunten a la precisi贸 del model com un 煤nic objectiu, sin贸 que moltes vegades la complexitat 茅s tamb茅 un factor predominant en la presa de decisions.[EN] In several engineering fields, mathematical models are used to describe the behaviour of systems, processes or phenomena. Nowadays, there are several techniques or methods for obtaining mathematical models. Because of their versatility and simplicity, system identification methods are often preferred. Generally, systems identification methods require defining a structure and estimating computationally the parameters that make it up, using a set of procedures y measurements of the system's input and output signals. In the context of nonlinear system identification, a significant challenge is the structure selection. In the case that the system to be identified presents a static type of nonlinearity, block-oriented models can be useful to define a suitable structure. However, the designer may face a certain degree of uncertainty when selecting the block-oriented model in accordance with the real system. In addition to this inconvenience, the estimation of some block-oriented models is not an easy task, as is the case with the Wiener-Hammerstein models consisting of a NL block in the middle of two LTI subsystems. The presence of two LTI subsystems in the Wiener-Hammerstein models is what mainly makes their estimation difficult. Generally, the identification procedure begins with the estimation of the linear dynamics, and the main challenge is to split this dynamic between the two LTI block. Usually, this implies a high user interaction to develop several procedures, and the final model estimated mostly depends on these previous stages. The aim of this thesis is to contribute to the identification of the Wiener-Hammerstein models. This contribution is based on the presentation of two new algorithms to address specific aspects that have not been addressed in the identification of this type of model. The first algorithm, called WH-EA (An Evolutionary Algorithm for Wiener-Hammerstein System Identification), allows estimating all the parameters of a Wiener-Hammerstein model with a single procedure from a linear dynamic model. With WH-EA, a good estimate does not depend on intermediate procedures since the evolutionary algorithm looks for the best dynamic division, while the locations of the poles and zeros are fine-tuned, and nonlinearity is captured simultaneously. Another significant advantage of this algorithm is that under specific considerations and using a suitable excitation signal; it is possible to create a unified approach that also allows the identification of Wiener and Hammerstein models which are particular cases of the Wiener-Hammerstein model when one of its LTI blocks lacks dynamics. What is interesting about this unified approach is that with the same algorithm, it is possible to identify Wiener, Hammerstein, and Wiener-Hammerstein models without the user specifying in advance the type of structure to be identified. The second algorithm called WH-MOEA (Multi-objective Evolutionary Algorithm for Wiener-Hammerstein identification), allows to address the identification problem as a Multi-Objective Optimisation Problem (MOOP). Based on this algorithm, a new approach for the identification of Wiener-Hammerstein models is presented considering a compromise between the accuracy achieved and the model complexity. With this approach, it is possible to compare several models with different performances, including as an identification target the number of parameters that the estimated model may have. The contribution of this approach is based on the fact that in many engineering problems the design requirements and user's preferences do not always point to the accuracy of the model as a single objective, but many times the complexity is also a predominant factor in decision-making.Zambrano Abad, JC. (2021). Identification of nonlinear processes based on Wiener-Hammerstein models and heuristic optimization [Tesis doctoral]. Universitat Polit猫cnica de Val猫ncia. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171739TESI

    Modeling, Optimization and Testing for Analog/Mixed-Signal Circuits in Deeply Scaled CMOS Technologies

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    As CMOS technologies move to sub-100nm regions, the design and verification for analog/mixed-signal circuits become more and more difficult due to the problems including the decrease of transconductance, severe gate leakage and profound mismatches. The increasing manufacturing-induced process variations and their impacts on circuit performances make the already complex circuit design even more sophisticated in the deeply scaled CMOS technologies. Given these barriers, efforts are needed to ensure the circuits are robust and optimized with consideration of parametric variations. This research presents innovative computer-aided design approaches to address three such problems: (1) large analog/mixed-signal performance modeling under process variations, (2) yield-aware optimization for complex analog/mixedsignal systems and (3) on-chip test scheme development to detect and compensate parametric failures. The first problem focus on the efficient circuit performance evaluation with consideration of process variations which serves as the baseline for robust analog circuit design. We propose statistical performance modeling methods for two popular types of complex analog/mixed-signal circuits including Sigma-Delta ADCs and charge-pump PLLs. A more general performance modeling is achieved by employing a geostatistics motivated performance model (Kriging model), which is accurate and efficient for capturing stand-alone analog circuit block performances. Based on the generated block-level performance models, we can solve the more challenging problem of yield-aware system optimization for large analog/mixed-signal systems. Multi-yield pareto fronts are utilized in the hierarchical optimization framework so that the statistical optimal solutions can be achieved efficiently for the systems. We further look into on-chip design-for-test (DFT) circuits in analog systems and solve the problems of linearity test in ADCs and DFT scheme optimization in charge-pump PLLs. Finally a design example of digital intensive PLL is presented to illustrate the practical applications of the modeling, optimization and testing approaches for large analog/mixed-signal systems
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