Effectiveness of Active Vibration Control of a Flexible Beam using a Different Position of Strain Gage Sensors

This paper presents experimental determination effectiveness of active vibration control system depending on sensor location. The active structure consists of an composite beam as the host structure, strain gages as the sensors and piezoceramic patch as the actuation element. The Wheatstone bridge, sensor platform, is used to measure the strain of mechanical system which represents the control signal in system. The active vibration control system is controlled by PID control strategy. Control algorithm was implemented on the PIC32MX440F256H microcontroller platform. For the experiment two locations for sensor platform are chosen. In order to determine the influence of piezoelectric ceramic actuator work on sensor (control) signal the tip deflection of beam is measured by high speed camera. The active vibration control system effectiveness of both sensor and actuator positions are considered. Experimental results demonstrate that the presented control method is effective for both locations but the stability of the system can be violated

Effectiveness of Active Vibration Control of a Flexible Beam using a Different Position of Strain Gage Sensors

This paper presents experimental determination effectiveness of active vibration control system depending on sensor location. The active structure consists of an composite beam as the host structure, strain gages as the sensors and piezoceramic patch as the actuation element. The Wheatstone bridge, sensor platform, is used to measure the strain of mechanical system which represents the control signal in system. The active vibration control system is controlled by PID control strategy. Control algorithm was implemented on the PIC32MX440F256H microcontroller platform. For the experiment two locations for sensor platform are chosen. In order to determine the influence of piezoelectric ceramic actuator work on sensor (control) signal the tip deflection of beam is measured by high speed camera. The active vibration control system effectiveness of both sensor and actuator positions are considered. Experimental results demonstrate that the presented control method is effective for both locations but the stability of the system can be violated

Métodos de controle modal tolerante a danos para estruturas flexíveis

Orientadores: Eurípedes Guilherme de Oliveira Nóbrega, Nazih Mechbal, Gérard Maurice Henri CoffignalTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Estruturas inteligentes estão cada vez mais presentes em diferentes aplicações na indústria, em particular nas áreas de aeronáutica e engenharia civil. Essas estruturas possuem características que permitem interações com o ambiente, adaptando suas propriedades de acordo com as necessidades (rigidez, amortecimento, viscosidade, etc.), monitorando a própria saúde estrutural (SHM, de Structural Health Monitoring) ou controlando suas vibrações. Atualmente, os métodos ativos para controle de vibrações não respondem adequadamente a mudanças na dinâmica estrutural causada por dano, apesar da boa capacidade de rejeição a perturbações externas. O controle ativo tolerante a danos (DTAC, de Damage-Tolerant Active Control) é uma área recente de pesquisa que objetiva desenvolver métodos integrados para reduzir vibrações e, ao mesmo tempo, monitorar a integridade estrutural, sendo possível identificar a ocorrência de danos e, com isso, reconfigurar o controlador ativo de vibrações. Esta tese contribui com a área de DTAC propondo uma nova abordagem de controle modal e algumas estratégias de aplicações. Os métodos propostos focam no controle de vibrações de estruturas flexíveis sujeitas a danos com múltiplos sensores e atuadores não colocados. Os capítulos apresentam quatro temas principais e as conclusões. O Capítulo 2 revisa o problema subótimo H? e sua respectiva solução por meio da abordagem por desigualdades matriciais lineares, que é uma ferramenta fundamental para o desenvolvimento dos tópicos subsequentes. O Capítulo 3 introduz o método de controle modal de vibrações baseado na norma H? modal, a qual revela elevada seletividade modal, permitindo a concentração de energia de controle sobre os efeitos do dano e apresentando robustez em relação ao spillover e à variação paramétrica. Uma nova estratégia de controle é desenvolvida no Capítulo 4, tendo em conta o conhecimento existente sobre as regiões da estrutura com alta probabilidade de sofrer danos, o que leva a requisitos específicos no projeto do controlador H? modal. Uma técnica de SHM é usada para avaliar o efeito do dano em cada modo, dado que é usado para projetar um controlador preventivo. O Capítulo 5 apresenta uma metodologia modal de dupla malha que lida com a imprevisibilidade do dano, garantindo um bom compromisso entre robustez e desempenho para a estrutura saudável ou danificada. Para atingir esse objetivo, o controlador modal da primeira malha é projetado para atender os requisitos de desempenho para a estrutura saudável. O controlador da segunda malha é reconfigurado objetivando assegurar robustez e um desempenho satisfatório quando, ou se, um dano ocorre. Essa lei de controle é baseada em um observador de estados e em um algoritmo de SHM para reconfigurar o controlador online. Todas as técnicas propostas são testadas utilizando estruturas inteligentes criadas a partir de simulações (analíticas e de elementos finitos) e/ou experimentos. O último capítulo discute os principais resultados obtidos para cada abordagem descrita nos capítulos anterioresAbstract: Smart structures have increasingly become present in different industry applications and particularly in the fields of aeronautics and civil engineering. These structures have features that allow interactions with the environment, adapting their characteristics according to the needs (stiffness, damping, viscosity, etc.), monitoring their health or controlling their vibrations. Today, smart structure active control methods do not respond appropriately to damage, despite the capability of good rejection of external disturbances. Damage-tolerant active control (DTAC) is a recent research area that aims to develop integrated approaches to reduce vibrations while monitoring the structure integrity, identifying damage occurrence and reconfiguring the control law of the adopted active vibration control method. This thesis contributes to the DTAC area by proposing a novel modal control framework and some application strategies. The developed methods focus on noncollocated flexible structures, where multiple piezoelectric sensors and actuators are used to attenuate damaged structure vibration. The chapters present four main topics and the conclusions. Chapter 2 reviews the regular suboptimal H? problem and its respective solution based on the linear matrix inequality approach, which is a fundamental tool for the development of subsequent topics. Chapter 3 introduces the modal H?-norm-based method for vibration control, which reveals high modal selectivity, allowing control energy concentration on damage effects and presenting robustness to spillover and parameter variation. A new control strategy is developed in Chapter 4, taking into account existing knowledge about the structure stressed regions with high probability of damage occurrence, leading to specific requirements in the modal H?-controller design. A structural health monitoring (SHM) technique assesses each damaged mode behavior, which is used to design a preventive controller. Chapter 5 presents a novel modal double-loop control methodology to deal with the unpredictability of damage, nevertheless ensuring a good compromise between robustness and performance to both healthy and damaged structures. For this purpose, the first-loop modal controller is designed to comply with regular requirements for the healthy structure behavior and the second-loop controller is reconfigured aiming to ensure satisfactory performance and robustness when and if damage occurs, based on a state observer and an SHM technique to adapt the controller online. In all these chapters, simulated (analytical- and finite-element-based) and/or experimental smart structures are used to examine the proposed methodology under the respective control strategies. The last chapter summarises the achieved results for each different approach described in the previous chaptersDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânica141621/2012-512337/13-7CNPQCAPE