REJECTION OF HARMONIC AND TRANSIENT DISTURBANCES OF A SMART STRUCTURE WITH PIEZOELECTRIC ACTUATORS

Light flexible structures are easily prone to vibrate due to external forces or due to forces generated in the inner structure. This situation is common in machinery or mechanical structures with rotational devices. The unwanted vibration of such structures can be compensated with the addition of piezoelectric actuators for active vibration control (AVC). The rejection of harmonic disturbances is frequently done with controllers based on the internal model principle. The goal of this research is to reduce the effect of harmonic disturbances with known (measured) time-varying frequencies acting on a system as well as to increase the damping of the system for the transient response (first mode of vibration). The experimental setup is made up of a slender aluminium flexible beam, a pair of piezoelectric actuators, an accelerometer and two DC motors, as well as the data acquisition and signal conditioning equipment. The harmonic disturbance is generated by DC motors. The control design utilizes an augmented description of the plant. The plant including the disturbance is modelled as a polytopic linear parameter-varying (pLPV) system. An observer-based gain-scheduling controller is calculated based on quadratic stability and the stability is guaranteed for the specified range of variation of the scheduling parameters, also restriction in the performance is introduced in the sense of the H2-norm. Experimental results show very good disturbance cancellation

Discrete-time LPV gain-scheduling controllers for the rejection of harmonic disturbances

Orbital friction welding is introduced as an alternative welding process for the manufacturing of Titanium blisks. Due to a comparative examination of linear and orbital friction welding, it could be proven that the different kinetics of the orbital friction welding process results in an improved heat generation. In addition to the advanced process characteristics, the influence of the relative motion on the microstructure development in the weld zone was investigated. EBSD measurements revealed a stronger texture in Ti-6Al-4V linear friction welds in the direction of the reciprocating motion as compared to orbital friction welds at the same position. By performing a parameter optimization for Ti-6Al-4V orbital friction welds it was found, that due to a gradually increase of the friction pressure it is possible to minimize the weld zone and decrease the welding temperature. This process control enables to avoid the α-β phase transformation which is known to cause high tensile residual stresses in the weld line of Ti-6Al-4V linear friction welds.Das Thema dieser Dissertation ist die Unterdrückung harmonischer Störungen mit zeitver änderlichen, aber bekannten Frequenzen. Diese Problematik tritt z.B. typischerweise in Umgebungen auf, in denen rotierende Maschinen betrieben werden, deren Winkelgeschwindigkeiten variieren wie z.B. in Automotive-Anwendungen oder in Flugzeugen. Typische adaptive Lösungsansätze im Bereich Active Noise Control (ANC) und Active Vibration Control (AVC) wie beispielsweise FxLMS (Filtered x Least Mean Square) Regler weisen jedoch den entscheidenden Nachteil auf, dass bei variablen Störfrequenzen die Stabilität nicht nachgewiesen werden kann. Diese Arbeit benutzt sogenannte Linear Parameter Varying (LPV) Reglerentwurfsmethoden, um die Stabilitäat bei Änderungen der zeitvariablen Störfrequenzen zu garantieren. Dabei werden vier Ansätze basierend auf dem Internal Model Prinzip dargestellt. Der Regler muss ein Modell der Störung enthalten, um diese unterdrücken zu können. Ändert sich die Störfrequenz mit der Zeit, so ändert sich auch der Regler mit dem Störungsmodell. Diese Dissertation beschäftig sich mit LPV-Reglern zur die Unterdrückung der harmonischen Störungen. Es wurden zwei Regler basierend auf einen LPV-Zustandsrückführungsbeobachter sowie zwei LPV-Ausgangsrückführungsregler entworfen und mit experimentellen Ergebnissen an drei verschiedenen Prüfständen validiert. So wurde ein Multiple Input Multiple Output (MIMO) Regler in einem Golf VI Variant für die Unterdrückung induzierter Motorschwingungen getestet. Ebenfalls wurden Single Input Single Output (SISO)-Regler sowohl anhand eines aufgebauten Prüfstands zur aktiven Schwingungskompensation als auch anhand eines Prüfstands zur aktive Schallkompensation getestet und validiert. Dabei konnten sehr gute Ergebnisse erzielt werden, um Störungen mit zeitveränderlichen Frequenzen zu unterdrücken. Die angewandten LPV Reglerentwurfsmethoden wurden in dieser Arbeit zeitdiskretverwendet, weshalb die Implementierung der Regler in Echtzeit relativ einfach ist. Eine stabile Umschaltung zwischen den Reglern wird in dieser Dissertation auch vorgestellt. Diese Umschaltung vergrößert den Bereich des Reglers, in dem Störfrequenzen unterdrükt werden können