Time delay exists inevitably in active control, which may not only degrade the system performance but also render instability to the dynamic system. In this paper, a novel active controller is developed to solve the time delay problem in flexible structures. By using the independent modal space control method, the differential equation of the controlled mode with time delay is obtained from the time-delay system dynamics. Then it is discretized and changed into a first-order difference equation without any explicit time delay by augmenting the state variables. The modal controller is derived based on the augmented system using the discrete variable structure control method. The switching surface is determined by minimizing a discrete quadratic performance index. The modal coordinate is extracted from sensor measurements and the actuator control force is converted from the modal one. Since the time delay is explicitly included throughout the entire controller design without any approximation, the system performance and stability are guaranteed. Numerical simulations show that the proposed controller is feasible and effective in active vibration control of dynamic systems with time delay. If the time delay is not explicitly included in the controller design, instability may occur.
Structural health monitoring (SHM) systems are necessary to achieve smart predictive maintenance and repair planning as well as they lead to a safe operation of mechanical structures. In the context of vibration-based SHM the measured structural responses are employed to draw conclusions about the structural integrity. This usually leads to a mathematically illposed inverse problem which needs regularization. The restriction of the solution set of this inverse problem by using prior information about the damage properties is advisable to obtain meaningful solutions. Compared to the undamaged state typically only a few local stiffness changes occur while the other areas remain unchanged. This change can be described by a sparse damage parameter vector. Such a sparse vector can be identified by employing $L_1$-regularization techniques. This paper presents a novel framework for damage parameter identification by combining sparse solution techniques with an Extended Kalman Filter. In order to ensure sparsity of the damage parameter vector the measurement equation is expanded by an additional nonlinear $L_1$-minimizing observation. This fictive measurement equation accomplishes stability of the Extended Kalman Filter and leads to a sparse estimation. For verification, a proof-of-concept example on a quadratic aluminum plate is presented.
Kim, Do-Wan;Park, Jin-Bae;Jang, Kwon-Kyu;Joo, Young-Hoon
Proceedings of the KIEE Conference
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2004.11c
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pp.708-710
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2004
This paper studies a multirate sampled-data control for LTI systems by using the digital redesign (DR) method. In this note, to well tackle the problem associated with both the state matching and the stabilization, our nobel strategy is to minimize the linear quadratic cost function. The main features of the proposed method are that i) the delta-operator-based descretization method is applied to improve the state-matching performance in the fast sampling limit and/or the large input multiplicity; ii) the proposed multirate control scheme can improve the state-matching performance in the long sampling limit; iii) some sufficient conditions that guarantee the stability of the closed-loop discrete-time system and provide a guarantee cost for the cost function can be formulated in the LMIs format; and iv) an optimal sampled-data controller in the sense of minimizing the upper bound of the cost function is also given by means of an LMI optimization procedure.
In this study the optimization of plate-fin type heat sink with vortex generator for the thermal stability is performed numerically. The optimum solutions in the heat sink are obtained when the temperature rise and the pressure drop are minimized simultaneously. Thermal performance of heat sink is influenced by the heat sink shape such as the base-part fin width, lower-part fin width, and basement thickness. To acquire the optimal design variables automatically, CFD and mathematical optimization are integrated. The flow and thermal fields are predicted using the finite volume method. The optimization is carried out by means of the sequential quadratic programming (SQP) method which is widely used for the constrained nonlinear optimization problem. The results show that the optimal design variables are as follows; B$_1$=2.584 mm, B$_2$=1.741 mm, and t=7.914 mm when the temperature rise is less than 40 K. Comparing with the initial design, the temperature rise is reduced by 4.2 K, while the pressure drop is increased by 9.43 Pa. The relationship between the pressure drop and the temperature rise is also presented to select the heat sink shape for the designers.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.26
no.1
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pp.144-149
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2017
There have been lots of interest on service and entertainment robots. To ensure that robots work in harmony with humans, their stability and compactness are some of the key issues. Obviously, robots with fewer wheels occupy a smaller floor area compared to those with more wheels. In addition, robots with fewer wheels, whose posture stabilities are maintained by feedback control, are stable even under larger accelerations and/or higher locations of the center of mass. To facilitate controller design, it is assumed that both pitch and roll dynamics are decoupled. The dynamic equations of motion for the proposed robot are derived from the Euler-Lagrange equation. To obtain the optimal balancing control law, linear quadratic regulator control methods are applied to the linearized dynamic equations. Simulation and experimental results verify the effectiveness and performance of the proposed balancing control algorithm for a single-wheeled mobile robot.
Due to the clutch's non-linear dynamics, time-delays, external disturbance and parameter uncertainty, the automated clutch is difficult to control precisely during the launch process or automatic mechanical transmission (AMT) vehicles. In this paper, an enhanced fuzzy sliding mode controller (EFSMC) is proposed to control the automated clutch. The sliding and global stability conditions are formulated and analyzed in terms of the Lyapunov full quadratic form. The chattering phenomenon is handled by using a saturation function to replace the pure sign function and fuzzy logic adaptation system in the control law. To meet the real-time requirement of the automated clutch, the region-wise linear technology s adopted to reduce the fuzzy rules of the EFSMC. The simulation results have shown hat the proposed controller can achieve a higher performance with minimum reaching time and smooth control actions. In addition, our data also show that the controller is effective and robust to the parametric variation and external disturbance.
The purpose of this research is to study the nonlinear free vibration and post-buckling analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) beams resting on a nonlinear elastic foundation. Uniformly and functionally graded distributions of single walled carbon nanotubes as reinforcing phase are considered in the polymeric matrix. The modified form of rule of mixture is used to estimate the material properties of CNTRC beams. The governing equations are derived employing Euler-Bernoulli beam theory along with energy method and Hamilton's principle. Applying von $K\acute{a}rm\acute{a}n's$ strain-displacement assumptions, the geometric nonlinearity is taken into consideration. The developed governing equations with quadratic and cubic nonlinearities are solved using variational iteration method (VIM) and the analytical expressions and numerical results are obtained for vibration and stability analysis of nanocomposite beams. The presented comparative results are indicative for the reliability, accuracy and fast convergence rate of the solution. Eventually, the effects of different parameters, such as foundation stiffness, volume fraction and distributions of carbon nanotubes, slenderness ratio, vibration amplitude, coefficients of elastic foundation and boundary conditions on the nonlinear frequencies, vibration response and post-buckling loads of FG-CNTRC beams are examined. The developed analytical solution provides direct insight into parametric studies of particular parameters of the problem.
A new Riemannian geometric model for the controlled plant is proposed by imbedding the control vector space in the state space, so as to reduce the dimension of the model. This geometric model is derived by replacing the orthogonal straight coordinate axes on the state space of a linear system with the curvilinear coordinate axes. Therefore the integral manifold of the geometric model becomes homeomorphic to that of fictitious linear system. For the lower dimensional Riemannian geometric model, a nonlinear optimal regulator with a quadratic form performance index which contains the Riemannian metric tensor is designed. Since the integral manifold of the nonlinear regulator is determined to be homeomorphic to that of the linear regulator, it is expected that the basic properties of the linear regulator such as feedback structure, stability and robustness are to be reflected in those of the nonlinear regulator. To apply the above regulator theory to a real nonlinear plant, it is discussed how to distort the curvilinear coordinate axes on which a nonlinear plant behaves as a linear system. Consequently, a partial differential equation with respect to the homeomorphism is derived. Finally, the computational algorithm for the nonlinear optimal regulator is discussed and a numerical example is shown.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SC
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v.37
no.6
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pp.15-24
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2000
This paper presents an output feedback robust H$\infty$ control problem for a class of uncertain nonlinear systems, which can be represented by an fuzzy dynamic model. The nonlinear system is represented by Takagi-Sugeno fuzzy model, and the control design is carried out on the basis of the fuzzy model. Using a single quadratic Lyapunov function, the globally exponential stability and disturance attenuation of the closed-loop fuzzy control system are discussed. Sufficient conditions for the existence of robust H$\infty$ controllers are given in terms of linear matrix inequalities(LMIs). Constructive algorithm for design of robust H$\infty$ controller is also developed. The resulting controller is nonlinear and automatically tuned based on fuzzy operation.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SC
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v.46
no.5
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pp.22-28
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2009
In this paper, we consider the problem of $H_{\infty}$ filtering for continuous-time singular systems with multiple state-delays. The aim of designed filter is to guarantee regularity, impulse-free, asymptotic stability and $H_{\infty}$ norm bound of filtering error singular system. By establishing a finite sum inequality based on quadratic terms, a new delay-dependent BRL (bounded real lemma) for singular systems with multiple state-delays is derived. Based on the result, the existence condition of $H_{\infty}$ filter and filter design method are proposed in terms of LMI (linear matrix inequality). Finally, a numerical example is provided to show the validity of the design methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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