ROBUST CONTROL DESIGN AND SIMULATION FOR A FLEXIBLE CANTILEVER BEAM WITH PZT ACTUATOR AND SENSOR

Yıl 2016, Cilt: 57 Sayı: 683, 48 - 56, 16.01.2017

Cem Onat Melin Şahin

Öz

In recent years, the use of smart structures presents more efficient solutions to most of active vibration
control problems in flexible mechanical systems due to significant advances in sensor and actuator
technologies. Piezoelectric materials can be used as a sensor and/or an actuator in active vibration
control because of their electromechanical coupling property. The commonly used type of piezoelectric
materials is PZT (lead-zirconate-titanate) piezoceramics. Smart structures are produced by bonding
these piezoelectric materials on flexible mechanical systems. This study presents a robust approach for
modeling and controlling of a cantilever flexible beam comprising a piezoelectric sensor and actuator
by MATLAB software. Firstly, the parameter uncertain modeling of the flexible cantilever aluminum
beam with a piezoelectric sensor and actuator is created. Then, generalized plant model is constituted
of the uncertain model, and H∞ controller is designed and computed. Obtained simulation results in
time and frequency domain reveal that proposed H∞ controller is able to suppress vibration of the
smart beam in the first out-of-plane bending mode.

Anahtar Kelimeler

Smart beam, robust control, pzt

PZT EYLEYİCİ VE ALGILAYICI İÇEREN ESNEK BİR KONSOL KİRİŞ İÇİN ROBUST KONTROLCÜ TASARIMI VE SİMÜLASYONU

Öz

Son yıllardaki algılayıcı ve kumanda elemanı teknolojilerindeki dikkate değer gelişmelerden dolayı,
akıllı yapıların kullanımı, esnek mekanik sistemlerde aktif titreşim kontrolü problemlerine daha etkili
çözümler sunmaktadır. Aktif titreşim kontrolünde piezoelektrik malzemeler, elektro-mekanik akuple
özellikleri nedeniyle hem kumanda elemanı hem de algılayıcı olarak çalışabilirler. Bu alanda piezoelektrik malzemelerin çoğunlukla kullanılan tipi, kurşun, zirkonyum-titanyum (PZT) piezo-seramiklerdir. Piezoseramikler esnek mekanik sistemlerin üzerine yapıştırılarak akıllı yapılar elde edilmektedir.
Bu çalışma, MATLAB programı ile bir piezoelektrik algılayıcı ve kumanda elemanı içeren esnek
konsol bir kirişin modellenmesi ve kontrolü için robust bir yaklaşım sunmaktadır. Önce, esnek konsol
alüminyum kirişin parametre belirsizliği içeren modeli piezoelektrik elemanlar ile birlikte oluşturulmaktadır. Ardından, belirsiz model üzerinden genelleştirilmiş sistem modeli oluşturulmakta ve H∞
kontrolcü hesaplanmaktadır. Elde edilen zaman ve frekans tanım kümesi simülasyon sonuçları, tasarlanan H∞ kontrolcünün tüm durumlarda akıllı kirişin ilk düzlem dışı bükülme modundaki titreşimlerini bastırmaya muktedir olduğunu ortaya koymaktadır.

Anahtar Kelimeler

Akıllı kiriş, robust kontrol, pzt

Kaynakça

• 1. Aridogan, M. U. 2010. “Performance Evaluation of Piezoelectric Sensor/Actuator on Investigation of Vibration Characteristics and Active Vibration Control of a Smart Beam,” Master’s Thesis, Middle East Technical University.
• 2. Sahin, M., Karadal, F. M., Yaman, Y., Kircali, O. F., Nalbantoglu, V., Ulker, F. D., Caliskan, T. 2008. “Smart Structures and Their Applications on Active Vibration Control: Studies in the Department of Aerospace Engineering,” METU, Journal of Electroceramics, vol. 20 (3-4), p. 167–174.
• 3. Yaman, Y., Ülker, F. D., Nalbantoğlu, V., Çalişkan, T., Prasad, E., Waechter, D., Yan, B. 2003. Application of H∞ Active Vibration Control Strategy in Smart Structures,” AED 2003, 3rd International Conference on Advanced Engineering Design, 01-04 June 2003, Paper A5.3, Prague, Czech Republic.
• 4. Onat, C., Sahin, M., Yaman, Y. 2010. “Active Vibration Suppression of a Smart Beam via PIλDμ Control,” IWPMA 2010, International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators, 10-13 October 2010, Antalya, Turkey.
• 5. Onat, C., Sahin, M., Yaman, Y. 2011. “Active Vibration Suppression of a Smart Beam by Using an LQG Control Algorithm,” 2nd International Conference of Engineering Against Fracture (ICEAF II), 22-24 June 2011, Mykonos, Greece.
• 6. Onat, C., Sahin, M., Yaman, Y. 2011. “Active Vibration Suppression of a Smart Beam by Using a Fractional Control,” 2nd International Conference of Engineering Against Fracture (ICEAF II), 22-24 June 2011, Mykonos, Greece.
• 7. Onat, C., Sahin, M., Yaman, Y., Prasad, E., Nemana, S. 2011. "Design of an LPV Based Fractional Controller for the Vibration Suppression of a Smart Beam," CanSmart 2011, International Workshop on Smart Materials & Structures and NDT in Aerospace, 02-04 November 2011, Montreal, Canada.
• 8. Onat, C., Sahin, M., Yaman, Y. 2013. "Optimal Control of a Smart Beam by Using a Luenberger Observer," ICEAF III, 3rd International Conference of Engineering Against Failure, 26-28 June 2013, Kos, Greece.
• 9. Akın, O., Şahin, M. 2015. “Akıllı Bir Kirişin Titreşimlerinin Doğrusal-Karesel Düzenleyici (LQR) ile Aktif Denetimi,” XIX. Ulusal Mekanik Kongresi, 24-28 Ağustos 2015, Trabzon.