Návrh systémů aktivního řízení vibrací

Abstract

Zpětnovazební aktivní tlumení vibrací je problém vysokého řádu s nízkou robustností. Pokud neomezíme řízení pouze na jeden dominantní mod vibrací a neaplikujeme dolnopropustní filtr na zbytek signálu pro potlačení vlivu vyšších modů, musíme řešit problém, kdy řídicí systém ve zpětné vazbě musí být navrhnut tak, aby byl stabilní a aby zbytečně nezesiloval jiné neřízené mody vibrací.

Tato práce obsahuje popis mechanických kmitavých soustav a základní teorie tlumení vibrací. Poté je popsán a vytvořen laboratorní model z jednoduchých prvků společně s vytvořeným zjednodušujícím simulačním modelem. Tento model obsahuje piezoelektrické převodníky jak pro snímač vibrací tak pro akční člen. Piezoelektrické prvky jsou známé vyšším přenosem na vyšších frekvencích a tak mají častý problém s tzv. spillover efektem, kdy jsou vyšší mody neúmyslně řídicím systémem zesilovány, případně až přivedené k nestabilitě. Je navrhnuta metodika rozložení problému na vysoké množství jednoduchých rovnic, které nám realizují splnění definovaných podmínek pro kvalitu optimalizace. Ve zpětné vazbě je použit filtr s konečnou odezvou, jehož koeficienty jsou hledány pomocí meta-heuristické optimalizace. Výsledky jsou poté ověřeny simulačně i pomocí měření.

Feedback active vibration damping is a high-order problem with low robustness. If we do not limit control to just one dominant mode of vibration and apply a low-pass filter to the rest of the signal to suppress the influence of higher modes, we face the challenge of designing a feedback control system that is stable and does not unnecessarily amplify other uncontrolled vibration modes.

This work includes a description of mechanical vibrating systems and the basic theory of vibration damping. A laboratory model is then described and created from simple components, along with a simplified simulation model. This model includes piezoelectric transducers for both the vibration sensor and the actuator. Piezoelectric elements are known for higher transmission at higher frequencies, often leading to the so-called spillover effect, where higher modes are unintentionally amplified by the control system, potentially leading to instability. A methodology is proposed for breaking down the problem into a large number of simple equations that meet the defined conditions for optimization quality. A finite impulse response (FIR) filter is used in the feedback, and its coefficients are found using metaheuristic optimization. The results are then verified through simulation and measurement.