Application of LQR theory to optimization of vibration isolation of sitting human body

• Autorzy: Książek M. A. , Ziemiański D.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie teorii regulatora LQR do optymalizacji wibroizolacji ciała siedzącego człowieka

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the paper the linear quadratic regulator (LQR) theory was applied to optimization of vibration isolation system of sitting human operator body subjected to vertical excitations. The optimization approach was applied to system composed of active human body model (AHBM) and passive, linear vibration isolation system (VIS). Synthesis of optimal LQR for the given system was done for two existing, active biodynamical models "back-off" and "back-on" of sitting human body. Optimization was done for chosen form of vibration isolation criterion. Analytical formula of that form, corresponding to present standards concerning the human body expositions to vibration, was presented. Influence of the LQR on dynamical behavior of the system composed of AHBM and VIS was estimated on the basis of numerical calculations, discussed and graphically presented.

PL

W pracy przedstawiono zastosowanie liniowego regulatora kwadratowego (LQR) do optymalizacji układu wibroizolacji ciała siedzącego człowieka - operatora poddanego drganiom pionowym. Dobór optymalnego regulatora przeprowadzono dla dwóch wersji aktywnego modelu ciała siedzącego człowieka, modelu z oparciem i modelu bez oparcia. Regulator LQR był zastosowany do układu złożonego z aktywnego modelu ciała człowieka (AHBM) i liniowego układu wibroizolacji (VIS). Optymalizacja została przeprowadzona dla założonej postaci kryterium, odpowiadającej obecnym normom dotyczącym ekspozycji ciała człowieka na wibracje. Wpływ regulatora LQR na zachowanie się układu AHBM-VIS przedstawiono w postaci graficznej, na podstawie wyników przeprowadzonych obliczeń numerycznych.

Słowa kluczowe

EN

LQR; vibration isolation; biomechanical models

PL

LQR; biomechaniczne modele; wibroizolacja

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Mechanics / AGH University of Science and Technology
• Rocznik: 2008
• Tom: Vol. 27, no. 1
• Strony: 8--17
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Książek M. A.

autor

Ziemiański D.

• Department of Dynamics of Mechanical Systems, Institute of Applied Mechanics (M-1), Cracow University of Technology

Bibliografia

• Bryson A.E.., Ho Y.C. 1981: Applied Optimal Control. Hemisphere Publishing Corporation. Hemisphere Pub., Washington - New York London.
• Bryson A.E. 2002: Applied Linear Optimal Control. Examples and Algorithms. Cambridge University Press.
• Coermann R.R. 1962: The Mechanical Impedance of the Human Body in Sitting und Standing Position at Low Frequencies. Human Factors, 4(10) October; 227-253.
• Engel Z. 1993: Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
• Gierke H.E. 1971: Biodynamic Models and Their Applications. The Journal of the Acoustical Society of America, 50, 1397-1413.
• Hopkins G.R. 1971: Nonlinear Lumped Parameter Mathematical Model of the Dynamic Response of the Human Body. AMRL-TR-71-29, Wright-Patterson Air Force Base, Ohio, 649-669.
• International Standard ISO 2631, Mechanical vibration and shock-Evaluation of human exposure to whole-body vibration.
• International Standard, ISO 7962, Mechanical vibration and shock - Mechanical transmissibility of the human body in the z direction.
• Kiene J., Meltzig-Thiel R., Schatte M. 1989: Results of the mathematical . and mechanical modeling of the sitting man. Strojnicki Casopis, 40, c. 2, 151-168.
• Książek M. 1979: Some Problems of Identification and Modelling of the Human Body. Man under Vibration, Suffering and Protection, Proceedings of the International CISM-IFToMM-WHO Symposium, Udine, Italy, Apri13-6, 200-209.
• Książek M.A. 1997a: Synteza aktywnych modeli ciała człowieka. Materiały III Szkoły Układów Aktywnych, Zakopane, kwiecień, 135-140.
• Książek M.A. 1997b: Synthesis of optimal isolation system of hand-transmitted vibration. [in:] Shock and Vibration, Vol. 4, Issue 4, 281-291.
• Książek M.A. 1998: New active models of a sitting human body. Proceedings of the 11th Conference of the European Society of Biomechanics, Toulouse, July 8-11, France, Journal of Biomechanics, Vol. 31, Suppl. l.
• Książek M.A. 1999a: Active biomechanical models of a sitting human body. Proceedings of 34th UK Group Conference on Human Response to Vibration, September 22-24, Dunton, England, 369 278.
• Książek M.A. 1999b: Modelowanie i optymalizacja układu człowiek-wibroizolator maszyna. Monografia nr 244, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, Poland.
• Książek M.A., Janik A. 2004: Simulation Analysis of Synthesized Optimal Vibration Isolation .System of an Active Human Body Model. Proceedings of NATO- OTAN Symposium, Prague, 5-8 October 2004, 1-18, CD only.
• Książek M.A., Janik A. 2005: Dynamics of Active Biomechanical Models of .Seated Human Body and Their Vibration Systems. ISSN 0239-5282, Mechanics. Vol: 24, No. 2, 2005, pp. 95-108.
• Książek M.A., Segue L. 2003: Application of fuzzy logic controller to vibration isolation of sitting human body. Czasopismo Techniczne, Z.6-M/2003 (Rok 100), ISSN 0011-4561, Wyd. Politechniki Krakowskiej, 45-58
• Mansfield N.J., Griffin M.J. 1996: Vehicle seat dynamics measured with anthropodynamic dummy und human subjects. Proceedings of Internoise 96 Congress, 30 July-2 August, Liverpool, UK,1725 1730
• Muskian R., Nash C.D. Jr. l 976: On Frequency-Dependent Damping Coefficients in Lumped-Parameter Model of Human Beings. Journal of Biomechanics, Vol. 9, 339-342.
• Polskie Normy PN-91/N-01354, Drgania. Dopuszczalne wartości przyspieszenia drgań o ogólnym oddziaływaniu na organizm człowieka i metody oceny narażenia.
• Potiemkin B.A., Frolov K.V. 1979: Non-linear effects connected with the spatial vibrations of biomechanical systems. Man under Vibration, Suffering and Protection, Proceedings of the International CISM-IFToMM-WHO Symposium, Udine, Italy, Apri13-6, 228- 234.
• Smith S.D. 1992: Resonance behaviour of the. human exposed to whole -body vibration. United Kingdom Informal Group on Human Response to Vibration, Southampton, 28-30 September, 41-52.
• The Mathworks 2001: Control System Toolbox, Version 5.
• Wei L., Griffin M.J. 1998: Mathematical models for the apparent mass of the seated human body exposed to vertical vibration. Journal of Sound and Vibration, 212(1), 855 874.
• Yoshimura T., Tamaoki G. 1996: A study of dynamics and modeling of human body exposed to multi-dimensional excitation. Proceedings of Internoise 96 Congress, 30 July - 2 August, Liverpool, UK, 1743-1748.