Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení

PAVLÍČEK, Karel

EN SKPřihlásit se Přihlásit se (EduID)

Theses rorzms

Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení – Ing. Karel PAVLÍČEK

Ing. Karel PAVLÍČEK

Disertační práce

Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení

Anotace:

Předkládaná disertační práce se zabývá jednou z možností, která se využívá pro snížení výpočetní náročnosti modelů komplexních úkolů současné elektrotechniky. Fyzikální děje lze matematicky popsat obecně soustavou parciálních a obyčejných diferenciálních rovnic (následně řešených numericky metodou konečných prvků). Ty je pak možné zjednodušit pomocí metamodelu (jinak také nazývaného náhradní model), vytvořeného z výsledků simulací. Každý model má svoje vstupní parametry, ke kterým je přiřazena konkrétní hodnota vybrané výstupní veličiny. Pokud je potřeba udělat výpočet velkého množství různých variant vstupních parametrů, může celkové řešení vyžadovat velké množství času. Existuje myšlenka z dostupných výsledků těchto simulací vytvořit metamodel, pomocí kterého je následně možné odhadovat hodnotu výstupu modelu pro nové vstupní parametry. Výsledky získané pomocí metamodelu budou zatíženy chybou odhadu, nicméně došlo ke značné časové úspoře oproti řešení plného modelu. V teoretické části práce je krátce shrnuto modelování fyzikálních polí v elektrotechnice a následně jsou v ní představeny metody pro tvorbu metamodelu používané v současné době. V praktické části práce jsou získané poznatky použity k řešení reálné elektrotechnické úlohy z oblasti elektrického tepla. Úlohou, na které je možnost aplikace metamodelování prezentována, je hybridní laserové svařování (s indukčním předehřevem) dvou ocelových desek. To je z hlediska výpočetní náročnosti zajímavé, protože se jedná o modelování sdružené úlohy kombinující teplotní a elektromagnetické pole. Výstupem simulace je teplotní rozložení, ze kterého se následně určuje hloubka svaru. Ta je klíčovým parametrem z hlediska kvality svaru. Pomocí metamodelu je možné následně provést odhad kvality svaru i pro nové hodnoty vstupních parametrů modelu. Pro tvorbu metamodelu je z hlediska použitých metod použita regrese s Gaussovským procesem (angl. Gaussian Process Regression, jinak také nazývaná jako kriging). Její hlavní výhodou je, že umožňuje odhadovat hodnotu a navíc i nejistotu odhadu. Pro srovnání s dalšími metodami jsou dále zvoleny: vícevrstvá neuronová síť a náhodný les. Díky použití metamodelování došlo ke snížení času potřebného k získání (odhadu) hloubky svaru. Pro nové body je možné provádět odhady v řádu sekund. Důležitou otázkou je kvalita metamodelu, která závisí silně na množství dostupných vstupních dat na sledovaném intervalu. V případě vhodně zvolených vstupních dat je možné dosáhnout relativní chyby v řádu procent (oproti vypočtenému řešení). Hlavním přínos práce spočívá v aplikační oblasti, ve které demonstruje, že pomocí metamodelování je možné získat výsledky velmi rychle. Všechny odhady jsou dle očekávání zatíženy chybou. Nicméně vzhledem ke složitosti jsou chybou zatíženy i klasické modely. …více

Abstract:

The thesis deals with possibilities to reduce complex models computantional costs in the domain of electrical engineering. Mathematics, particulary by a system of partial and ordinary differential equations, can be used to describe physical phenomenas. Such equations are in engineering applications usually solved numerically using finite element method. It can be simplified using metamodel (known also as surrogate model) which is created from outcome of finite element simulations. Each model has its inputs paramaters which must be defined to solve one particular model variant. If many model variants computations are needed, the model is solved for each variant and it may be very time consuming. In such cases idea is to create metamodel from available simulation results. It can be aftewards used to predict model outputs for new parameter sets. Results obtained using metamodeling process add approximation error but results can be obtained very fast in comparison to original model. In the theoretical part of the thesis physical fields modeling theory is summed up and also contemporary surrogate modeling techniques. In the application part of the theseis is used real electrical engineering problem to demonstrate metamodeling process. The studied problem is hybrid laser welding problem (with induction preheating), two steel sheets are welded together. Such problem is very demanding from computational point of view, because it is coupled problem where both electromagnetic and thermal field must be solved. The simulation outcome is temperature distribution from which can be determined weld depth, quantifying the weld quality. A laser weld depth prediction can be done using metamodel for new variants of input model parameters. Many different techniques might be used to create metamodel. In the thesis the primary one is Gaussian Process regression (kriging), which allows to make a prediction and also provides probability of the prediction. Two additional methods selected for comparison are: Multi Layer Perceptron Aritificial Neural Network and Random Forest. When the metamodel is used, the time needed to get information about weld depth is significatnly reduced. The estimation for new model variants can be done in a scale of seconds. Very important topic is precision which depends strongly to the amount of available input data in the studied parameter intervals. In case of well defined input data, relative approximation error is in a scale of percents. The novelty of the work is in the application of metamodeling to interesting electroheating problem. It is demonstrated that it can be used to recieve results in a very short time. As expected all the predictions suffer from approximation error. Nevertheless even finite element models can not be fully precise due to complexity of the studied phenomena. …více

Klíčová slova

metamodelování náhradní modelování metoda plochy odezvy metoda konečných prvků numerická analýza odhad parametrů modelu matematické modelování aproximace modelování teplotního pole regresní analýza laserové svařování hybridní laserové svařování

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 18. 4. 2019

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

Vedoucí: Doc. Ing. Václav Kotlan, Ph.D., Prof. Ing. Pavel Karban, Ph.D.

Citační záznam

Citovat tuto práci

Citace dle ISO 690:

PAVLÍČEK, Karel. \textit{Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení}. Online. Disertační práce. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická. 2019. Dostupné z: https://theses.cz/id/rorzms/.

@PhdThesis{PAVLICEK2019thesis,
AUTHOR = "PAVLÍČEK, Karel",
TITLE = "Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení [online]",
YEAR = "2019 [cit. 2024-09-30]",
TYPE = "Disertační práce",
SCHOOL = "Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnickáPlzeň",
NOTE = "SUPERVISOR: Doc. Ing. Václav Kotlan, Ph.D., Prof. Ing. Pavel Karban, Ph.D.",
URL = "https://theses.cz/id/rorzms/",
}

@PhdThesis{PAVLICEK2019thesis,
AUTHOR = {PAVLÍČEK, Karel},
TITLE = {Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení},
YEAR = {2019},
TYPE = {Disertační práce},
INSTITUTION = {Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická},
LOCATION = {Plzeň},
SUPERVISOR = {Doc. Ing. Václav Kotlan, Ph.D., Prof. Ing. Pavel Karban, Ph.D.},
URL = {https://theses.cz/id/rorzms/},
URL_DATE = {2024-09-30},
}

{{Citace kvalifikační práce
 | příjmení = PAVLÍČEK
 | jméno = Karel
 | instituce = Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická
 | titul = Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení
 | url = https://theses.cz/id/rorzms/
 | typ práce = Disertační práce
 | vedoucí = Doc. Ing. Václav Kotlan, Ph.D., Prof. Ing. Pavel Karban, Ph.D.
 | rok = 2019
 | počet stran =
 | strany =
 | citace = 2024-09-30
 | poznámka =
 | jazyk = 
}}

Jak správně citovat práci

PAVLÍČEK, Karel. Využití metamodelu při návrhu a řízení elektrotechnických zařízení. Plzeň, 2019. disertační práce (Ph.D.). ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI. Fakulta elektrotechnická

Plný text práce

Právo: Autor si nepřeje zpřístupnění práce veřejnosti

Obsah online archivu závěrečné práce

Zveřejněno v Theses:

Soubory jsou nedostupné.

Jak jinak získat přístup k textu

Instituce archivující a zpřístupňující práci: ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI, Fakulta elektrotechnická
Vázaný výtisk práce naleznete v Univerzitní knihovně ZČU, více na http://www.knihovna.zcu.cz/kvalifikacni-prace/

Odkaz na soubor do lokálního úložiště instituce

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta elektrotechnická

Doktorský studijní program / obor:
Elektrotechnika a informatika / Elektrotechnika

Práce na příbuzné téma

Všechny práce