Advances in Tracking Control for Piezoelectric Actuators Using Fuzzy Logic and Hammerstein-Wiener Compensation

first_page settings Open AccessArticle Advances in Tracking Control for Piezoelectric Actuators Using Fuzzy Logic and Hammerstein-Wiener Compensation by Cristian Napole 1,* [OrcID] , Oscar Barambones 1,* [OrcID] , Isidro Calvo 1 [OrcID] , Mohamed Derbeli 1 [OrcID] , Mohammed Yousri Silaa 1 [OrcID] and Javier Velasco 2 [OrcID] 1 System Engineering and Automation Deparment, Faculty of Engineering of Vitoria-Gasteiz, Basque Country University (UPV/EHU), 01006 Vitoria-Gasteiz, Spain 2 Fundación Centro de Tecnologías Aeronáuticas (CTA), Juan de la Cierva 1, 01510 Miñano, Spain * Authors to whom correspondence should be addressed. Mathematics 2020, 8(11), 2071; https://doi.org/10.3390/math8112071 Received: 23 October 2020 / Revised: 16 November 2020 / Accepted: 17 November 2020 / Published: 20 November 2020 (This article belongs to the Special Issue Fuzzy Applications in Industrial Engineering) Download PDF Browse Figures Abstract Piezoelectric actuators (PEA) are devices that are used for nano- microdisplacement due to their high precision, but one of the major issues is the non-linearity phenomena caused by the hysteresis effect, which diminishes the positioning performance. This study presents a novel control structure in order to reduce the hysteresis effect and increase the PEA performance by using a fuzzy logic control (FLC) combined with a Hammerstein–Wiener (HW) black-box mapping as a feedforward (FF) compensation. In this research, a proportional-integral-derivative (PID) was contrasted with an FLC. From this comparison, the most accurate was taken and tested with a complex structure with HW-FF to verify the accuracy with the increment of complexity. All of the structures were implemented in a dSpace platform to control a commercial Thorlabs PEA. The tests have shown that an FLC combined with HW was the most accurate, since the FF compensate the hysteresis and the FLC reduced the errors; the integral of the absolute error (IAE), the root-mean-square error (RMSE), and relative root-mean-square-error (RRMSE) for this case were reduced by several magnitude orders when compared to the feedback structures. As a conclusion, a complex structure with a novel combination of FLC and HW-FF provided an increment in the accuracy for a high-precision PEA.This research was funded by Basque Government and UPV/EHU projects

A comparative study of surrogate musculoskeletal models using various neural network configurations

Title from PDF of title page, viewed on August 13, 2013Thesis advisor: Reza R. DerakhshaniVitaIncludes bibliographic references (pages 85-88)Thesis (M.S.)--School of Computing and Engineering. University of Missouri--Kansas City, 2013The central idea in musculoskeletal modeling is to be able to predict body-level (e.g. muscle forces) as well as tissue-level information (tissue-level stress, strain, etc.). To develop computationally efficient techniques to analyze such models, surrogate models have been introduced which concurrently predict both body-level and tissue-level information using multi-body and finite-element analysis, respectively. However, this kind of surrogate model is not an optimum solution as it involves the usage of finite element models which are computation intensive and involve complex meshing methods especially during real-time movement simulations. An alternative surrogate modeling method is the use of artificial neural networks in place of finite-element models. The ultimate objective of this research is to predict tissue-level stresses experienced by the cartilage and ligaments during movement and achieve concurrent simulation of muscle force and tissue stress using various surrogate neural network models, where stresses obtained from finite-element models provide the frame of reference. Over the last decade, neural networks have been successfully implemented in several biomechanical modeling applications. Their adaptive ability to learn from examples, simple implementation techniques, and fast simulation times make neural networks versatile and robust when compared to other techniques. The neural network models are trained with reaction forces from multi-body models and stresses from finite element models obtained at the interested elements. Several configurations of static and dynamic neural networks are modeled, and accuracies close to 93% were achieved, where the correlation coefficient is the chosen measure of goodness. Using neural networks, the simulation time was reduced nearly 40,000 times when compared to the finite-element models. This study also confirms theoretical concepts that special network configurations--including average committee, stacked generalization, and negative correlation learning--provide considerably better results when compared to individual networks themselves.Introduction -- Methods -- Results -- Conclusion -- Future work -- Appendix A. Various linear and non-linear modeling techniques -- Appendix B. Error analysi

System Engineering Applied to Fuenmayor Karst Aquifer (San Julián de Banzo, Huesca) and Collins Glacier (King George Island, Antarctica)

La ingeniería de sistemas, definida generalmente como arte y ciencia de crear soluciones integrales a problemas complejos, se aplica en el presente documento a dos sistemas naturales, a saber, un sistema acuífero kárstico y un sistema glaciar, desde una perspectiva hidrológica. Las técnicas de identificación, desarrolladas típicamente en ingeniería para representar sistemas artificiales por medio de modelos lineales y no lineales, pueden aplicarse en el estudio de los sistemas naturales donde se producen fenómenos de acoplamiento entre el clima y la hidrosfera. Los métodos evolucionan para afrontar nuevos campos de identificación donde se requieren estrategias para encontrar el modelo idóneo adaptado a las peculiaridades del sistema. En este sentido, se han considerado especialmente las herramientas basadas en la transformada wavelet utilizadas en la preparación de series temporales, suavizado de señales, análisis espectral, correlación cruzada y predicción, entre otros. Bajo este enfoque, una aplicación a mencionar entre las tratadas en esta tesis, es la determinación analítica del núcleo efectivo estacional (SEC) a través del estudio de la coherencia wavelet entre temperatura del aire y la descarga del glaciar, que establece un conjunto de períodos de muestreo aceptablemente coherentes, a partir del cual se crearán los modelos del sistema glacial. El estudio está dirigido específicamente a estimar la influencia de la precipitación sobre la descarga del acuífero kárstico de Fuenmayor, en San Julián de Banzo, Huesca, España. De la misma manera, se ocupa de las consecuencias de la temperatura del aire en la fusión del hielo glaciar, que se manifiesta en la corriente de drenaje del glaciar Collins, isla King George, Antártida. En el proceso de identificación paramétrica y no paramétrica se buscan los modelos que mejor representen la dinámica interna del sistema. Eso conduce a pruebas iterativas, donde se van creando modelos que se verifican sistemáticamente con los datos reales del muestreo, de acuerdo a un criterio de eficiencia dado. La solución mejor valorada según los resultados obtenidos en los casos tratados apuntan a estructuras de modelos en bloques. Esta tesis significa una exposición formal de la metodología de identificación de sistemas propios de la ingeniería en el contexto de los sistemas naturales, que mejoran los resultados obtenidos en muchos casos de la hidrología kárstica que comúnmente usaban métodos ad hoc ocasionales de carácter estadístico; así mismo, los enfoques propuestos en los casos de glaciología con el análisis wavelet y los modelos orientados a datos raramente considerados en la literatura, revelan información esencial ante la imposibilidad de precisar la totalidad de la física que rige el sistema. Notables resultados se derivan en la caracterización de la respuesta del manantial de Fuenmayor y su correlación con la precipitación, desde la perspectiva de un sistema lineal, que se complementa con los métodos de identificación basados en técnicas no lineales. Así mismo, la implementación del modelo para el glaciar Collins, obtenido también mediante métodos de identificación de caja negra, puede revelar una inestabilidad de los límites de los periodos activos de la descarga, y consecuentemente la variabilidad en la tendencia actual en el cambio climático global