Self-adaptive modal control for time-varying structures

International audienceFor the past several years, modal controllers are widely studied and used in the field of vibration or vibro-acoustics control. They are efficient but not robust, because these methods involve a reconstructor based on a modal truncation. When the dynamic behavior of the structure change, the controller and reconstructor must be updated to cope with the changes in the structure behavior, in order to maintain both performance and robustness. A solution is adaptive control but this approach needs some specific information not generally available particularly in the case of undergone modifications. This paper deals with a self-adaptive modal control based on a real-time identifier, which avoid the need of specific information. The identifier permits to update the controller and the reconstructor according to the changes of modal characteristics of time-varying structures. A classical algorithm of identification is used to obtain a state space model with an unspecified state vector. Then, based on this model, a well adapted transformation is carried out to get the modal characteristics from the expression of complex modes, including the mode shapes. As a criterion of running identification, the value of "variance-accounted for" (VAF) is employed to carry out the identifier only when the initial or previous model is not enough exact. A Linear Quadratic Gaussian Algorithm is employed in such a way that the control and observer can be optimized according to the updated modal model. By this way, a self-adaptive modal control is completed and can demonstrate some smart properties. The proposed methodology is carried out on a simple but representative time-varying mechanical discrete structure. An inertia modification leads not only to low modal frequency shifts but also to inversion of a mode shape which is shown to lead to unstable configuration when control system is not 2 updated. The overall procedure will be described through simulations and performed for different operating conditions, which will prove that mode shapes have to be precisely determined and updated in the controller and observer to guarantee a robust modal control with high performance in spite of the changes of structure

Damage reduction of on-board structures using piezoelectric components and active modal control — Application to a printed circuit board

International audienceThe reliability of Printed Circuit Boards (PCB) is critical for on-board electronic systems, particularly when subjected to severe stress conditions. This paper presents an approach to reduce vibration damage in PCBs that can be extended to the majority of on-board structures subjected to damage. Vibration damage highly depends on mode shapes under large band excitations. A solution to reduce vibration from the most damaging modes is to use active modal control for targeting efficiently control energy on most damaging modes. Following this modal-damage strategy, the most damaging modes are determined using a damage analysis based on an initial detailed Finite Element Model (FEM) of the PCB. The control is then designed using only a few piezoelectric components located so as to be essentially effective on these modes. The location algorithm of these active components uses a second simplified FEM including the damage simulation results. Finally, a classical Linear Quadratic Gaussian algorithm is used to determine the modal controller-observer gains. The effectiveness of the proposed method for PCBs is then examined through experiments with different high level excitations. The proposed control is finally validated by a new damage analysis of the controlled PCB to estimate damage reduction. Based on results obtained on an actual PCB, the modal approach the optimal link between damage estimation, optimal placement of actuators ,optimal control, and minimization of control energy. Moreover, the predictions of damage reduction and of actuation energy are in good agreement with experimental results, what shows that the modal description of on-board smart structure, in particular PCB , is the key point in damage reduction with vibration active control. Manuscript Click here to view linked Reference

Contrôle modal autoadaptatif de vibrations de structures évolutives

L allègement des structures imposé par les réductions de coût se traduit par des structures de plus en plus souples qui les rendent de plus en plus sensibles aux vibrations. Le contrôle des vibrations devient donc un enjeu majeur dans de nombreuses applications industrielles et les limites des matériaux imposent maintenant un recours au contrôle actif de plus en plus fréquent. L évolution des structures au cours du temps (viellisement, conditions aux limites, architecture, ) pose le problème de la robustesse du contrôle. Par ailleurs, l actionnement de plus en plus présent dans le domaine mécanique constitue à la fois une source supplémentaire de vibrations, mais aussi de contrôle et d évolution d architecture des structures. La thèse s intéresse au contrôle actif autoadaptatif des vibrations permettant de maintenir automatiquement la performance et la stabilité des structures évolutives. Il s agit donc de s affranchir de la connaissance des causes et des informations sur les évolutions. La méthode proposée s appuie sur un développement modal permettant de limiter le nombre de composants de contrôle et de cibler les modes à contrôler en limitant l énergie de contrôle. Ainsi, il est nécessaire de reconstruire les caractéristiques du modèle modal indispensables pour réactualiser le contrôle en figeant seulement une structure de modèle. S affranchissant à la fois des causes d évolution de la structure et utilisant seulement une structure de modèle, la méthode est généralisable à toute application en mécanique des structures. La méthode proposée, basée sur l utilisation d un identificateur exploitant à la fois excitation et réponse de la structure, prend en compte les limites imposées par le contrôleur. Le modèle constitue le lien qui doit être établi entre identificateur et contrôle pour permettre la réactualisation. Par ailleurs, un compromis entre l objectif d atténuation des vibrations et les performances de l identification est alors nécessaire du fait du couplage identification/contrôle apparaissant dans la boucle fermée. Ce compromis est également conditionné par le matériel utilisé. La méthode proposée est exploitée sur une structure discrète mettant en évidence une inversion de formes modales au cours de son évolution qui déstabilise un contrôle figé. Le choix opéré pour répondre aux différents compromis cités ci dessus a conduit à l utilisation d un contrôleur classique (LQG) et un identificateur basé sur la méthode des sous-espaces (N4SID). Cette application sur une structure simple a permis de caractériser un certain nombre de limites physiques : la bande passante, densité modale, vitesse d évolution, Le contrôle modal autoadaptatif proposé s avère robuste en performance et efficace lorsque la réactualisation est systématique. Une variante conditionnelle, toujours basée sur l analyse de la réponse de la structure, est enfin proposée pour optimiser le processus de réactualisation afin de suivre plus efficacement les évolutions.The lightness of structure due to the reduction of cost results in some structures which are more and more flexible. This flexibility makes these structures more sensitive to vibrations. The vibration control becomes an important issue in lots of industrial applications, and now the limitation of materials imposes a requirement of active control more and more frequently.The change of time-varying structure(ageing effect, boundaries conditions, architecture of structure etc)brings the robust problem of control.Further more,the action of device which emerges more and more frequently in mechanical fields introduces not only an additional cause of vibrations,but also a source of control and a source for changing the architecture of structures.The thesis focuses on self-adaptive active control of vibration which permits to keep up automatically the performance and stability of the time-varying structures.So it needs to overcome the knowing about cause and information on the changes.The proposed method relies on a development of modal technology which permits to limit the amount of component in control system and to target on the modes which need to be controlled.So the energy of control is limited. Further more,it needs to reconstruct the characteristics of modal model which are indispensable for updating the control.In this case, only the structure of model is fixed.Overcoming the knowing about cause of change in the structure and using only the structure of model, this method can be generalized for all applications in mechanical structures.The proposed method is based on the utilization of an identifier which uses both the excitation and response of the structure.And this method considers the limitations induced by the controller.The model forms le link which should be established between the identifier and the controller for allowing the updating. Further more, a compromise between the objective of reducing vibrations and the performance of identification is necessary due to the coupling effect of identification/control which appears in the closed-loop. This compromise is also conditioned by the used equipments.The proposed method is carried out on a discrete time-varying structure for showing an inversion of mode shape during its change. This inversion of mode shape destabilises a fixed control system. The operated choices for responding the different previous quoted compromise lead to a classic controller (LQG) and an identifier based on the subspace method (N4SID).This application on a simple structure permitted to characterise some physical limitation: the bandwidth, the modal density and the velocity of change The proposed self-adaptive modal control is proved to be robust in terms of performance and be efficient when the updating is systematical. Always based on the analysis of the response of the structure, a conditional variant is finally proposed for optimizing the process of updating in order to follow the change more efficiently.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Contrôle actif de la transparence acoustique de paroi Analyses et résultats expérimentaux

Cet article concerne la réduction de la transparence acoustique de paroi à l'aide du contrôle actif modal purement vibratoire utilisant des capteurs et actionneurs piézoélectriques. Le contrôle modal permet de concentrer l'énergie de commande sur les modes les plus transparents grâce à un nombre réduit de transducteurs. Cette approche nécessitant un modèle de la structure, une technique d'identification expérimentale est utilisée dans laquelle chaque actionneur utilise un modèle identifié unique. Une étude de robustesse montre que ces boucles de contrôle indépendantes ne se perturbent pas

Contrôle actif non linéaire de smart structures multicorps soumises à des mouvements d'ensemble

L étude présentée porte sur le contrôle actif de smart structures multicorps flexibles instrumentées de patchs piézoélectriques. La problématique est au croisement de trois grandes thématiques : celle des structures multicorps, celle du contrôle actif de vibrations et celle des matériaux intelligents. Les travaux réalisés durant cette thèse portent sur l analyse de comportement ainsi que le développement d outils numériques et expérimentaux répondant aux difficultés que peut soulever la rencontre de ces trois domaines. La première partie de cette étude porte sur la modélisation des smart structures multicorps instrumentées de composants électromécaniques distribués, telles que les céramiques piézoélectriques. Les méthodes proposées ont pour but de simplifier le processus modélisation et de permettre de générer des modèles réduits directement adaptés pour le contrôle actif modal. La seconde partie de cette étude porte sur l optimisation des performances du contrôle modal. Plusieurs principes d optimisation ont été proposés et implémentés numériquement via l algorithmie floue. Les investigations menées en simulation et en expérimentation montrent comment l établissement de relations non-linéaires entre commandes et variables modales permet d améliorer les performances de contrôle. Enfin, la dernière partie de cette étude traite plus particulièrement de stratégies de contrôle de structures multi-articulées. L analyse et les méthodes proposées permettent de maintenir l efficacité et la stabilité de contrôle en dépit des effets non linéaires induits par les variations d inerties engendrées par les mouvements de rotation des sous structures.The proposed study deals with the active control of multi-body flexible structures using piezoelectric components. This problem is in the heart of several research areas: multi-body structures, active control of flexible structures and smart materials. The aim of this work is to provide methods for the analysis, the control, the simulation and the experiment of these structures. The first part of this study deals with the modelling of multibody flexible structures with distributed electromechanical components. The second part of this study deals with the optimization of the modal control of smart structures. Three methods of optimization using fuzzy logic are presented. The last part of this study focus on the research leads on the active control of multi-articulated flexible structures. A non-linear control method especially designed for these structures is proposed.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Contrôle modal semi-actif et actif à faible consommation énergétique par composants piézoélectriques

Dans le cas des structures embarquées, les vibrations doivent être amorties efficacement tout en limitant la masse et le volume du contrôleur. Cet objectif peut être atteint en minimisant voire en supprimant l'énergie d'action du contrôle. Dans cet objectif, une stratégie de contrôle semi-actif modal a été développée sur des SMART structures à composants piézoélectriques. Elle est basée sur une approche modale couplée à une méthode de contrôle semi-active non linéaire. Contrairement à cette dernière qui n'est efficace que lorsque l'excitation est ciblée sur un mode unique. La méthode développée et ses différents variantes permettent leur utilisateur en cas d'excitation large bande en ciblant des modes particuliers. Bien qu'un modèle soit nécessaire, la méthode proposée s'avère performante et robuste stabilité comme en performance. Pour permettre de pousser les performances du contrôle semi-actif modal jusqu'à celles du contrôle hybride modal a été mis en place. Ce contrôle qui consiste à associer le contrôle actif modal au contrôle semi-actif modal nécessite beaucoup moins d'énergie d'action que le contrôle actif. L'analyse énergétique de la commande active permet de quantifier le gain en énergie du contrôle hybride par comparaison avec les méthodes de contrôle développées jusqu'ici ? ce gain se traduisant par une diminution de la masse des amplificateurs. Cette technique pourra trouver des applications dans le domaine des transports notamment pour améliorer la durée de vie des systèmes.In the field of mass rationalized embedded structures, vibrations are a great concern. They have to be efficiently damped while keeping the weight and volume of controllers as reduced as possible. This can be achieved by minimizing or cancelling the energy needed to drive the control. In order to reach both performance and energy goals, a strategy consisting of using a semi-active modal control was developed. Based on piezoelectric element, the proposed control is a high-performance method concentrating control energy on damaging modes. The method is based on a semi-active method which is a very simple and efficient when the excitation is located only on one mode of the structure. In order to target several modes when the structure is subject to wide bandwidth excitations, the proposed method uses a modal observer requires an identification of the modal characteristics of the structure but still displays good stability and robustness. Damping performances of the proposed modal method are slightly lower than the active technique ones. The proposed hybrid control associates the active control with modal semi-active control in order to control vibration modes with the same damping performances than active control while reducing significantly the operative energy. A comparison is given based on an energetic balance analysis. This will result in a significant decrease of both the weight and volume of the active control amplifier devices. This potential gain in term of volume and mass is very important in the field of transportation enabling general used of SMART structure to improve the sustainability and lifetime systems.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Contrôles modaux actif, semi-adaptatif et semi-actif de structures intelligentes embarquées (application aux cartes électroniques)

Les structures embarquées telles que les cartes électroniques embarquées, peuvent être soulises à des contraintes sévères, particulièrement en terme de niveau vibratoire, qui altèrent leur durée de vie opérationnelle. Les industriels recherchent des techniques pour augmenter la durée de vie de ces structures notamment lorsqu'elles sont complexes. En prenant comme application les cartes électroniques embarquées sur missiles MBDA, le mémoire suivant présente dans une première partie, une méthode de réduction des vibrations par contrôle actif modal pour réduire le dommage modal induit par les vibrations. Le choix de la stratégie de contrôle modal permet de minimiser l'énergie nécessaire au contrôle en la ciblant uniquement sur les modes à contrôler. La stratégie modale permet également de limiter le nombre d'actionneurs et de capteurs nécessaires. Le contrôle est réalisé par des actionneurs et capteurs piézoélectriques. La stratégie de contrôle modal a été numériquement puis expérimentalement testée sur la carte électronique dans sa configuration industrielle en termes de conditions aux limites et de niveau d'excitation. La production en grande série peut induire une dispersion sur les caractéristiques et donc sur les paramètres modaux de la structure. De plus, les conditions initiales de fonctionnement, comme les conditions aux limites, peuvent varier pendant la durée de vie de la carte électronique et ainsi modifier les performances et la stabilité du contrôle établi sur le modèle nominal. Afin d'augmenter la robustesse du contrôle modal, le mémoire suivant présente dans une deuxième partie, une stratégie de contrôle modal semi-adaptative, basée sur des algorithmes d'identification, pour prendre en compte les évolutions et/ou variations de la structure tout en garantissant des performances optimales. La stratégie semi-adaptative est ensuite testée numériquement puis expérimentalement sur la carte électronique pour une variation fréquentielle et pour une variation du couple de serrage. Enfin, dans le contexte des structures embarquées, l'énergie utilisée par le contrôle doit être minimale pour limiter la masse embarquée. La dernière partie présente ainsi une stratégie de contrôle semi-actif modal pour éliminer l'apport d'énergie opérative. Elle est appliquée numériquement, notamment sur le mode le plus endommageant en présence d'excitation aléatoire. Cette technique pourrait être utilisée pour augmenter la durée de vie moyennant des recherches complémentaires.On-board structures such as electronic boards are submitted to severe stresses, particularly vibration. This extreme environment affects the structure s expected lifetime. Some techniques can be used to increase their lifetime particularly in the case of complex structures. This dissertation presents firstly a method to reduce vibration using modal active control applied to on-board MBDA Printed Circuit Boards (PCB). This modal strategy permits to reduce on-board energy and to target the control energy only on the controlled modes using a minimum number of components. The control uses piezoelectric actuators and sensors. The method has been numerically and experimentally tested on the PCB with industrial boundary conditions and excitation levels. In the case of industrial mass production, dispersion leads to changes in mechanical and electromechanical properties. Moreover, boundary condition variations can induce mechanical properties variations. These variations can modify control performance and stability. This dissertation presents secondly a modal semi-adaptive control strategy, based on identification algorithms, aim at increasing control robustness. This strategy has been numerically and experimentally tested on the PCB for frequency and torque variations respectively. Finally, in the case of on-board structures, on-board energy used by the control must be minimal to reduce on-board mass. The last part of this dissertation presents a modal semi-active control strategy to eliminate operational energy. This method has been numerically tested on the most damaging mode of the PCB. This method could be used to increase PCB lifetime in future research.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Active control and sensor noise filtering duality (application to Advanced LIGO suspensions)

L'étude présentée porte sur le contrôle actif des supensions pour Advanced LIGO. LIGO est un projet américain ayant pour but la détection d'ondes gravitationnelles, prédites par Einstein. Afin de mesurer ces ondes, le bruit sismique dot être atténué par un facteur de plusieurs milliards. Le dernier étage du système d'isolation sismique est un pendule filtrant le bruit sismique à hautes fréquences. Ce pendule présente d'importantes résonances à basses fréquences qui sont amorties par contrôle actif. Toutefois, ce contrôle re-injecte le bruit de mesure et détériore les performances d'isolation du pendule. La problématique est donc de concevoir une boucle de contrôle qui amortie les résonances tout en minimisant la réinjection du bruit de mesure à hautes fréquences. L'association d'un contrôle modal et d'un estimateur d'état est étudiée dans ce but. Les simulations sont vérifiées expérimentalement en utilisant une méthode permettant de mesurer des vibrations de l'ordre de 10-9m.The study relates to the active control of the suspensions for Advanced LIGO. LIGO is an American project which goal is the detection of gravitational waves, predicted by Einstein. In order to detect these waves, the seismic noise must be attenuated by a factor of several billions. The last stage of the seismic isolation system is a pendulum filtering the seismic noise at high frequencies. This pendulum has large resonances at low frequencies which are damped by active control. However, this control also re-injects the sensor noise and deteriorates the performances of the pendulum. The challenge is to conceive a control loop that damps resonances while minimizing the re-injection of the sensor noise at high frequencies. The association of a modal control and a state estimator is studied to this end. Simulations are checked in experiments by using a method making it possible to measure vibrations of about 10-9m.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Experimental identification of smart material coupling effects in composite structures

International audienceSmart composite structures have an enormous potential for industrial applications, in terms of mass reduction, high material resistance and flexibility. The correct characterization of these complex structures is essential for active vibration control or structural health monitoring applications. The identification process generally calls for the determination of a generalized electromechanical coupling coefficient. As this process can in practice be difficult to implement, an original approach, presented in this paper, has been developed for the identification of the coupling effects of a smart material used in a composite curved beam. The accuracy of the proposed identification technique is tested by applying active modal control to the beam, using a reduced model based on this identification. The studied structure was as close to reality as possible, and made use of integrated transducers, low-cost sensors, clamped boundary conditions and substantial, complex excitation sources. PVDF (polyvinylidene fluoride) and MFC (macrofiber composite) transducers were integrated into the composite structure, to ensure their protection from environmental damage. The experimental identification described here was based on a curve fitting approach combined with the reduced model. It allowed a reliable, powerful modal control system to be built, controlling two modes of the structure. A linear quadratic Gaussian algorithm was used to determine the modal controller-observer gains. The selected modes were found to have an attenuation as strong as −13 dB in experiments, revealing the effectiveness of this method. In this study a generalized approach is proposed, which can be extended to most complex or composite industrial structures when they are subjected to vibration

Contrôle actif de la transparence acoustique d'une double paroi

Le mémoire présente les bases de la vibroacoustique ainsi que les différentes approches de contrôle modal pouvant être employées afin d améliorer l isolation acoustique des double parois. Cette stratégie de contrôle nécessite un modèle de la structure. Par conséquent, des modèles analytiques et numériques de poutres, plaques et double parois instrumentées ont été développés. Puis, les différentes approches de contrôle ont été comparées lors de simulations. Des travaux de dimensionnement de la double paroi sont également réalisés afin de minimiser le recouvrement modal de la structure expérimentale. Une double paroi symétrique rectangulaire (600.400.1mm3) en duraluminium est étudié expérimentalement. Elle est équipée de six capteurs PVDF utilisés comme capteurs et deux actionneurs piézoélectriques commandés par un contrôleur modal. En raison de la grande sensibilité de la double paroi à son environnement, une technique d identification rapide des paramètres modaux a été développée au cours de cette thèse. Cette technique d identification a été validée lors de l expérimentation. Ensuite, le contrôleur a été mis en oeuvre expérimentalement sur une double paroi soumise à des excitations aériennes et solidiennes. La transparence acoustique de la double paroi est réduite de façon conséquente. Les méthodes d identification et de contrôle développées pour la double paroi ont ensuite été validées sur une autre structure (paroi simple).This thesis deals with active control of sound transmission double panel. When structures are relatively small and light, the panels have low modal overlap, so in this case, modal control appears to be adapted. It enables limiting the active surface, the number of the control components and concentrating control energy on high radiation efficiency modes. As a first step, vibroacoustic and modal control are introduced. Modal control requires an accurate model of the structure. Consequently, analytical and numerical model of beams, plates and double panels are presented. Next, simulations are performed to evaluate different modal control approaches. Moreover, optimal dimensions of the structure that minimize modal overlap are aimed for. Experiments were conducted on a symmetric rectangular double panel of duraluminium material (600x400x1mm^3). The double panel was clamped between two soundproofed rooms. The structure was equipped with 2 PZT patches used as actuator and 6 PVDF patches used as sensors. It is controlled via a modal controller in case of mechanical and aerial disturbance. The identification procedure developed in this thesis is used to build an experimental model of the double panel. Then, the controller is implemented. Sound power and sound transmission of the controlled double panel are evaluated with sound intensity measurements. The transmission loss of the double panel is significantly improved. Finally, identification and control techniques developed in this work are validated on a simple panel.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF