Sterowanie optymalne inteligentną kratownicą

• Autorzy: Grzybek D.

Warianty tytułu

EN

Optimal control of a smart truss

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W wielu obszarach przemysłu poszukuje się rozwiązań konstrukcyjnych, które charakteryzują się wysokim współczynnikiem tłumienia drgań oraz mają małą masę. Są to wymagania przeciwstawne, gdyż zwykle lekkie konstrukcje charakteryzują się niskim współczynnikiem tłumienia drgań. Konstrukcją, która może spełniać te przeciwstawne oczekiwania jest kratownica, w której jeden lub więcej prętów zostaje zastąpionych przez odpowiednio skonstruowane elementy zawierające aktuator piezoelektryczny. Zastosowanie takich elementów, nazywanych dalej aktywnymi prętami, pozwala na generowanie sił sterujących, które działają w wybranych węzłach na konstrukcję kratową. Kratownica staje się więc obiektem sterowania. Oczekiwanym efektem sterowania jest niwelowanie wpływu zewnętrznych oddziaływań (np. wiatru) na przebieg przemieszczeń i prędkości węzłów kratownicy. Realizacja praktyczna układu sterowania taką kratownicą jest zadaniem trudnym, gdyż wymaga bardzo wysokiej precyzji wykonania aktywnych prętów, co związane jest ze specyfiką generowania siły przez materiał piezoelektryczny. Piezoelektryk generuje siłę, jeśli zostanie wyeliminowana możliwość zwiększenia jego wymiarów. Trudnym zadaniem jest projekt algorytmu sterowania, przede wszystkim ze względu na to, że kratownica z aktywnymi prętami jest obiektem sterowania z wieloma wejściami i wyjściami. W różnych ośrodkach naukowych prowadzone są badania zarówno prototypów konstrukcji aktywnych prętów, jak i algorytmów sterowania. W obszarze badań algorytmów sterowania można wyróżnić układy, w których prawo sterowania generowane jest na podstawie minimalizacji wskaźnika jakości. W tym obszarze zawiera się treść artykułu, w którym przedstawiono wyniki badań symulacyjnych układu sterowania przykładową kratownicą, z zastosowaniem optymalnego algorytmu LQR oraz pełnego obserwatora stanu Luenbergera. Zasadniczym celem artykułu jest przedstawienie możliwości sterowania kratownicą z wykorzystaniem aktuatorów piezoelektrycznych. Zwrócono uwagę na związek między lokalizacją aktywnych prętów a uzyskiwanymi wynikami sterowania. Na podstawie przeprowadzonej analizy wyników symulacji stwierdzono, że wprowadzenie aktywnych prętów do struktury kratownicy oraz zastosowanie układu sterowania z algorytmem LQR i obserwatorem stanu może w istotny sposób wpłynąć na zwiększenie zdolności tłumienia drgań przez taką konstrukcję, bez konieczności zwiększania masy.

EN

The structures, which have a high coefficient of the vibration damping and have simultaneously low mass, are sought after in many areas of industry. These requirements are contrary because the light structures usually have a low coefficient of the vibration damping. A structure, which would fulfill such expectations, is a truss, in which one or more members are replaced by properly built element containing piezoelectric actuator. The application of such elements, called the active members, enables a generation of the control forces which act in selected nods on the truss. Such a truss becomes the control object. The expected effect of control is a counteraction of the external influences(for example by wind) on the courses of displacements and speeds of the truss nods. The practical realization of the control system of such truss is difficult task because in the carrying out of the active members a high precision is required. High precision is connected with a force generation by the piezoelectric material. A project of the control algorithm is also difficult, because the truss with active members is MIMO control object. The researches of the active member prototypes, as well as the control algorithms, are conducted in many scientific centers. The control systems with the generation of the control low on the basis of the quality coefficient minimization are often the object of the researches. This article presents the results of simulation research for the control system of exemplary truss with the use of LQR algorithm and full state observer of Luenberger. A basic purpose of this article is the presentation of the possibility of the truss control with the use of the piezoelectric actuators. In the centre of the attention here is the connection between the localization of active member and the control results. On the basis of the conducted simulation researches there can claim that the introduction of the active members to the truss structure and the application of the control system with LQR algorithm and full state observer of Luenberger would influence on the increase of vibration damping of such structure, without the increasing of the truss mass.

Słowa kluczowe

PL

inteligentna kratownica; sterowanie optymalne; aktuator piezoelektryczny; drgania

EN

smart truss; optimal control; piezoelectric actuator; vibration

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP
• Czasopismo: Pomiary Automatyka Robotyka
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 16, nr 10
• Strony: 62--67
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Grzybek D.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów,

Bibliografia

• 1. Anderson E. H., Moore D. M., Fanson J. L., Development of an active truss element for control of precision structures. Optical Engineeing, 1990, vol. 29, nr 11, 1333-1341
• 2. Bueno D., Marqui C., Santos R., Neto C., Lopes V., Experimental active vibration control in truss structures considering uncertainties in system parameters. Mathematical Problems in Engineering, 2008.
• 3. Carvalhal R., Silva S., Lopes V., Modal control applications in intelligent truss structures. ABCM Symposium Series in Mechatronics, 2004, vol. 1, 304-310.
• 4. Grzybek D., Aktuatory piezoelektryczne w inteligentnych kratownicach. „Pomiary Automatyka Robotyka”, 2011, nr 11, 63-67.
• 5. Grzybek D., Wykorzystanie mechanizmu przetwarzania energii w materiałach piezoelektrycznych do sterowania drganiami. „Czasopismo Techniczne”, 2011, nr 1, 51-59.
• 6. [www.piezosystem.com/uplads/media/PAHL_ds_2010_08_03.pdf].
• 7. Jing G., Yu M., Yong-yi W., Experimental study on the mode of active truss. “Energy Procedia”, 2012, nr 17, 24-31.
• 8. Kaczorek T., Teoria sterowania i systemów. Wydawnictwo Naukowe PWN, 1999.
• 9. Koziński W., Projektowanie regulatorów. Wybrane metody klasyczne i optymalizacyjne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2004.
• 10. Lefeuvre E., Sebald G., Guyomar D., Lallart M., Richard C., Materials, structures and power interfaces for efficient piezoelectric energy harvesting. Journal of Electroceram 2009, nr 22, 171-179.
• 11. Lewandowski R., Dynamika konstrukcji budowlanych. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2006.
• 12. Ogata K., Matlab for control engineers. Pearson Prentice Hall, 2008.
• 13. Qiu J., Jiang H., Ji H., Zhu K., Comparison between four piezoelectric energy harvesting circuits. Front. Mech. Eng. China, 2009, nr 4(2), 153-159.
• 14. Sciocsio F., Gasbarri P., Marianetti C., Toglia Ch., Control of vibrations of the international space station with piezoelectric actuators. International Astronautical Federation, 2005.
• 15. Song G., Vlattas J., Johnson S. E., Agraval B. N., Active vibration control af a space truss using a lead zirconate stack actuator. Preceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2001, vol. 215, 355-361.
• 16. Wstęp do piezoelektroniki. Praca zbiorowa. Wydawnictwa Komunikacjii Łączności. Warszawa 1980.
• 17. Wysocki M., Sterowanie wielowymiarowe. Projektowanie liniowych układów stacjonarnych w przestrzeni stanów. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, 2004.
• 18. Zheng K., Zhang Y., Yang Y., Yan S., Dou L., Chen J., Active vibration control of adaptive truss structure using fuzzy neutral network. Preceedings of Chinese Control and Decision Conference, 2008.