Controller design and implementation for active vibration suppression of a piezoelectric smart shell structure

• Autorzy: Gabbert U. , Nestorović-Trajkov T. , Koppe H.

Warianty tytułu

PL

Projektowanie i implementacja sterownika do aktywnej redukcji drgań powłokowej struktury "inteligentnej" z elementami piezoelektrycznymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper is dealing with the model based controller design for a shell structure attached with piezoelectric patches as actuators and sensors. The state-space model used for the controller design was obtained using the finite element (FE) approach, modal analysis and modal reduction resulting in a form convenient for the controller development. The optimal LQ controller was designed for the vibration suppression purposes of a funnel shaped shell structure. The design model for the controller development was augmented with additional dynamics which takes into account excitations/disturbances, contributing thus to a better vibration suppression. The controller was implemented on a funnel-shaped piezoelectric structure. The structure was intensively investigated experimentally, and the achieved results of the controlled behaviour with respect to vibration suppression are presented and discussed.

PL

Praca dotyczy problemu modelowego projektowania struktury powłokowej z naklejonymi do niej elementami piezoelektrycznymi. Zastosowany w procesie projektowania model, który opisano w przestrzeni stanu, został sformułowany za pomocą metody elementów skończonych, analizy modalnej i modalnej redukcji, co dało wygodny do implementacji rezultat. Optymalny sterownik LQ zaprojektowano w celu ograniczenia amplitudy drgań struktury powłokowej o lejkowatym kształcie. Użyty model został uzupełniony o zjawiska dynamiczne uwzględniające zewnętrzne wymuszenia i zakłócenia oddziaływujące na powłokę, co poprawiło docelową efektywność aktywnego tłumienia drgań. Ostatecznie, dokonano praktycznego wdrożenia sterownika, który współpracował z lejkowato-kształtną powłoką wyposażoną w piezoelektryczne czujniki i elementy wykonawcze. Powłokowa struktura została następnie poddana badaniom eksperymentalnym, a rezultaty pomiarów w kontekście skuteczności redukcji drgań uzyskanej wskutek implementacji analizowanego sterownika zaprezentowano i omówiono w pracy.

Słowa kluczowe

EN

active vibration suppression

PL

aktywna redukcja drgań; optymalne projektowanie sterownika; inteligentne struktury piezoelektryczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 43 nr 3
• Strony: 487--500
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Gabbert U.

• Institut fur Mechanik, Otto-von-Guericke Universitat Magdeburg, Magdeburg, Germany

autor

Nestorović-Trajkov T.

• Institut fur Mechanik, Otto-von-Guericke Universitat Magdeburg, Magdeburg, Germany

autor

Koppe H.

• Institut fur Mechanik, Otto-von-Guericke Universitat Magdeburg, Magdeburg, Germany

Bibliografia

• 1. Berger H., Gabbert U., Kooppe H., Rodriguez-Ramos R., Bravo-Castillero J., Guinovart-Diaz R., Otero J.A., Maugin G.A., 2003, Finite element and asymptotic homogenization methods applied to smart composite materials, Journal of Computational Mechanics, 33, 61-67
• 2. Berger H., Gabbert U., Kooppe H., Seeger F., 2000, Finite element analysis and design of piezoelectric controlled smart structures, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 38, 3, 475-498
• 3. Gabbert U., 2002, Research activities in smart materials and structures and expectations to future developments, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 40, 3, 549-574
• 4. Gabbert U., Kooppe H., Seeger F., Berger H., 2002, Modeling of smart composite shell structures. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 40, 3, 575-593
• 5. Gabbert U., Tzou H.S., 2001, Smart Structures and Structronic Systems, Dordrecht Kluwer Academic Publishers
• 6. Goornandt A., Gabbert U., 2002, Finite element analysis of thermopiezoelectric smart structures, Acta Mechanica, 154, 129-140
• 7. Irons B.M., 1976, The Semiloof shell element, in Ashwell DG, Gallagher RH. (Eds.): Finite Elements for Thin Shells and Curved Members, J. Wiley, London
• 8. Nestorovi¢-Trajkov T., Gabbert U., Kooppe H., 2003a, Controller design for a funnel-shaped smart shell structure, Facta Universitatis, Series mechanics, automatic control and robotics, Special issue: Nonlinear Mechanic, Nonlinear Sciences and Applications II, 3, 15, 1033-1038
• 9. Nestorovi¢-Trajkov T., Gabbert U., Kooppe H., 2003b, Vibration control of a plate structure using optimal tracking based on LQ controller and additional dynamics, Proceedings of the 3rd World Conference on Structural Control, 7-12 April 2002, Como, Italy (Vol. 3), editor Fabio Casciati, John Willey & Sons, Ltd., 85-90
• 10. Rao S.S., Sunar M., 1993, Analysis of distributed thermopiezoelectric sensors and actuators in advanced intelligent structures, AIAA Journal, 31, 7, 1280-1286
• 11. Seeger F., Gabbert U., Kooppe H., Fuchs K., 2002, Analysis and design of thin-walled smart structures in industrial applications, SPIE Proceedings, 4698, 342-350
• 12. Tzou H.S., Tseng C.I., 1990, Distributed piezoelectric sensor/actuator design for dynamic measurement/control of distributed parameter system: a piezoelectric_nite element approach, J. Sound Vib., 138, 1, 17-34
• 13. Vaccaro R.J., 1995, Digital Control: A State-Space Approach, McGraw-Hill, Inc.