Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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1996.11a
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pp.162-166
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1996
This paper presents a position control of ultra-precision machine tool post using piezoelectric material. A stack-type piezoelectric actuator Is employed in a hinge-type tool holder. An assumed linear transfer function of the practical nonlinear plant is established through the comparison of transfer functions and step responses in the experiments and the simulations. Several types of feedforward/feedback controllers are designed via computer simulations using the assumed linear transfer function. The position tracking control experiments are undertaken to show the control efficiency of each controller.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.22
no.7
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pp.513-518
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2016
The piezoelectric actuating device is known for its large power density and simple structure. It can generate a larger force than a conventional actuator and has also wide bandwidth with fast response in a compact size. To control the piezoelectric actuator, we need an analog signal conditioning circuit as well as digital microcontrollers. Conventional microcontrollers are not equipped with an analog part and need digital-to-analog converters, which makes the system bulky compared with the small size of piezoelectric devices. To overcome these weaknesses, we are developing a single-chip controller that can handle analog and digital signals simultaneously using mixed-signal FPGA technology. This gives more flexibility than traditional fixed-function microcontrollers, and the control speed can be increased greatly due to the parallel processing characteristics of the FPGA. In this paper, we developed a floating-point multiplier, PWM generator, 80-kHz power control loop, and 1-kHz position feedback control loop using a single mixed-signal FPGA. It takes only 50 ns for single floating-point multiplication. The PWM generator gives two outputs to control the charging and discharging of the high-voltage output capacitor. Through experimentation and simulation, it is demonstrated that the designed control loops work properly in a real environment.
Experimental studies on the adaptive vibration control of composite beams have been performed using a piezoelectric actuator and the neuro-controller. The variations in natural frequencies of the specimen and the actuation characteristics of the piezoelectric actuator according to the delamination in the bonding layer have been studied. In addition, the simulation of adaptive vibration control has been performed for the composite specimens with delaminated piezoelectric actuator using neuro-controller. The hardware for the adaptive vibration control experiment was prepared. A DSP(digital signal processor) has been used as a digital controller. Using neuro-controller, the adaptive vibration control experiment has been performed. The vibration control results using the neuro-controller show that the present neuro-controller has good performance and robustness with the system parameter variations.
Kim, jung yong;Lee, byung ryong;Yang soon yong;Ahn kyung kwan
제어로봇시스템학회:학술대회논문집
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2001.10a
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pp.66.3-66
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2001
A piezoelectric actuator yields hysteresis effect due to its composed ferroelectric. Hysteresis nonlinearty is neglected when a piezoelectric actuator moves with short stroke. However when it moves with long stroke and high frequency, the hysteresis nonlinearty can not be neglected. The hysteresis nonlinearty of piezoelectric actuator degrades the control performance in precision position control. In this paper, in order to improve the control performance of piezoelectric actuator, an inverse modeling scheme is proposed to compensate the hysteresis nonlinearty problem. And feedforward - feedback controller is proposed to give a good tracking performance. The Feedforward controller is inverse hysteresis model ,and PID control is used ...
This paper is concerned with static and dynamic shape control of a laminated Bernoulli-Euler beam hosting a uniformly distributed array of resistively interconnected piezoelectric patches. We present an analytical one-dimensional model for a laminated piezoelectric beam with material discontinuities within the framework of Bernoulli-Euler and extent the model by a network of resistors which are connected to several piezoelectric patch actuators. The voltage of only one piezoelectric patch is prescribed: we answer the question how to design the interconnected resistive electric network in order to annihilate lateral vibrations of a cantilever. As a practical example, a cantilever with eight patch actuators under the influence of a tip-force is studied. It is found that the deflection at eight arbitrary points along the beam axis may be controlled independently, if the local action of the piezoelectric patches is equal in magnitude, but opposite in sign, to the external load. This is achieved by the proper design of the resistive network and a suitable choice of the input voltage signal. The validity of our method is exact in the static case for a Bernoulli-Euler beam, but it also gives satisfactory results at higher frequencies and for transient excitations. As long as a certain non-dimensional parameter, involving the number of the piezoelectric patches, the sum of the resistances in the electric network and the excitation frequency, is small, the proposed shape control method is approximately fulfilled for dynamic load excitations. We evaluate the feasibility of the proposed shape control method with a more refined model, by comparing the results of our one-dimensional calculations based on the extended Bernoulli-Euler equations to three-dimensional electromechanically coupled finite element results in ANSYS 12.0. The results with the simple Bernoulli-Euler model agree well with the three-dimensional finite element results.
A control algorithm combining viscous and non-linear Reid damping mechanisms has been recently proposed by the authors to command active friction dampers. In this paper, friction dampers and the proposed algorithm are applied to control the seismic responses of a nonlinear 20-story building. Piezoelectric stack actuators are used to implement the control algorithm. The capacity of each damper is determined by the practical size of piezoelectric actuators and the availability of power supply. The saturation effect of the actuators on the building responses is investigated. To minimize the peak story drift ratio or floor acceleration of the building structure, a practical sequential procedure is developed to sub-optimally place the dampers on various floors. The effectiveness of active friction dampers and the efficiency of the proposed sequential procedure are verified by subjecting the building structure to four earthquakes of various intensities. The performance of 80 dampers and 137 dampers installed on the structure is evaluated according to 5 criteria. Numerical simulations indicated that the proposed control algorithm effectively reduces the seismic responses of the uncontrolled 20-story building, such as inelastic deformation. The sub-optimal placement of dampers based on peak acceleration outperforms that based on peak drift ratio for structures subjected to near-fault ground motions. Saturation of piezoelectric actuators has adverse effect on floor acceleration.
Piezoelectric actuator is widely used in precision positioning applications due to its excellent positioning resolution. However, serious hysteresis nonlinearity of the actuator deteriorates its precise positioning capability. Evenworse, its hysteresis nonlinearity changes as the actuator input frequency varies. In this study, a simple feedforward scheme is proposed and tested through experiments for precision position control when the variance of the system input frequency is significant.
Proceedings of the Korean Society of Machine Tool Engineers Conference
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1996.10a
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pp.28-33
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1996
This paper presents a position control of ultra-precision machine tool post using piezoelectric material. A stack-type piezoelectric actuator is employed in a hinge-type tool holder. An assumed linear transfer function of the practical nonlinear plant is established through the comparison of transfer functions and step responses in the experiments and the simulations. Several types of feedforward/feedback controllers are designed via computer simulations using the assumed linear transfer function, The position tracking control experiments are undertaken to show the control efficiency of each controller.
Structural model of laminated composite plate based on the first order shear deformation theory and subjected to a combination of piezoelectric, electromagnetic and thermal fields is established. Coupled equations of motion are derived via Hamilton's principle on the basis of electromagnetic and piezoelectric equations which are involved in constitutive equations. Proportional control and velocity feedback control logics are applied via boundary control moments and forces. Variations of dynamic chasracteristics of composite plate with collocated piezoelectric sensor and actuators, electromagnetic field and temperature gradient are investigated and it reveals that dynamic characteristics of structure can be effectively controlled by utilizing the piezoelectric effect and ply angles of fiber reinforced composites.
Piezoelectric coefficient and dielectric constant of PZT-5H vary with electric field. In this work, variations of these coefficients with electric field are included in finite element modelling of a cantilevered plate instrumented with piezoelectric patches. Finite element model is reduced using modal truncation and then converted into state-space. First three modal displacements and velocities are estimated using Kalman observer. Negative first modal velocity feedback is used to control the vibrations of the smart plate. Three cases are considered v.i.z case 1: in which variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with electric field is not considered in finite element model and not considered in Kalman observer, case 2: in which variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with electric field is considered in finite element model and not considered in Kalman observer and case 3: in which variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with electric field is considered in finite element model as well as in Kalman observer. Simulation results show that appreciable amount of change would appear if variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with r.m.s. value of electric field is considered.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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