In the present study, active control of a smart beam under forced vibration is analyzed. The aluminum smart beam is composed of two piezoelectric patches and strain gauge. One of the piezoelectric patches is used as controlling actuator while the other piezoelectric patch is used as vibration generating shaker. The smart beam is harmonically excited by the piezoelectric shaker at its fundamental frequency. The strain gauge is utilized to sense the vibration level. Active vibration reduction under harmonic excitation is achieved using both strain and displacement feedback control. Control actions, the finite element (FE) modeling and analyses are directly carried out by using ANSYS parametric design language (APDL). Experimental applications are performed with LabVIEW. Dynamic behavior at the tip of the beam is evaluated for the uncontrolled and controlled responses. The simulation and experimental results are compared. Good agreement is observed between simulation and experimental results under harmonic excitation.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1997.04a
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pp.423-427
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1997
Recently, distributed piezoelectric actuators have drawn attention due to their potential applicability within smart structures. Because they serve not only as active components but also passive components, it is difficult to estimate their characteristics accurately. In this study a finite element method based on layerwise theory has been formulated to analyze the characteristics of the distributed piezoelectric actuators. The present method has the capability to describe more refined strain distribution and more realistic boundary conditions.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.109-114
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2004
This paper presents a theoretical and experimental study of a non-collocated pair of piezopolymer PVDF sensor and piezoceramic PZT actuator, which are bonded on a cantilever beam, in order to suppress unwanted vibration at the tip of the beam. The PZT actuator patch was bonded near the clamped part and the PVDF sensor, which was triangularly shaped, was bonded on the other part of the beam. This is because the triangular PVDF sensor is known that it can detect the tip velocity of a cantilever beam. Because the arrangement of the sensor and actuator pair is not collocated and overlapped each other, the pair can avoid so called 'the in-plane coupling'. The test beam is made of aluminum with the dimension of $200\times20\times2mm$, and the two PZT5H actuators are both $20\times20\times1mm$ and bonded on the beam out-of-phase, and the PVDF sensor is $178mm\times6mm\times52{\mu}m$. Before control, the sensor-actuator frequency response function is confirmed to have a nice phase response without accumulation in a reasonable frequency range of up to 5000 Hz. Both the DVFB and displacement feedback strategies made the error signal from the tip velocity (or displacement) sensor is transmitted to a power amplifier to operate the PZT actuator (secondary source). Both the control methods attenuate the magnitude of the first two resonances in the error spectrum of about 6-7 dB.
International Journal of Control, Automation, and Systems
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v.5
no.4
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pp.429-435
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2007
A number of different alternative actuation methods have been under active development for some specific applications where the traditional electromechanical actuators are difficult to apply. Recently, many of these substitutes are trying to employ new smart materials like electroactive polymers. However most of the polymeric materials are flexible and vulnerable so that they normally can not sustain external forces. Although the materials have shown a good potential to be used for alternative actuation mechanisms, no tangible industrial application is yet presented because of the reason. A conceptual design for a rectilinear motion actuator using dielectric elastomer is presented in this article. The introduced design concept might enable to produce fairly controllable rectilinear motions for various applications and the presented prototype actuator system is fully packaged in a small unit and controlled by a standard communication interface.
Phillips, Brian M.;Takada, Shuta;Spencer, B.F. Jr.;Fujino, Yozo
Smart Structures and Systems
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v.14
no.6
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pp.1081-1103
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2014
Real-time hybrid simulation (RTHS) has emerged as an important tool for testing large and complex structures with a focus on rate-dependent specimen behavior. Due to the real-time constraints, accurate dynamic control of servo-hydraulic actuators is required. These actuators are necessary to realize the desired displacements of the specimen, however they introduce unwanted dynamics into the RTHS loop. Model-based actuator control strategies are based on linearized models of the servo-hydraulic system, where the controller is taken as the model inverse to effectively cancel out the servo-hydraulic dynamics (i.e., model-based feedforward control). An accurate model of a servo-hydraulic system generally contains more poles than zeros, leading to an improper inverse (i.e., more zeros than poles). Rather than introduce additional poles to create a proper inverse controller, the higher order derivatives necessary for implementing the improper inverse can be calculated from available information. The backward-difference method is proposed as an alternative to discretize an improper continuous time model for use as a feedforward controller in RTHS. This method is flexible in that derivatives of any order can be explicitly calculated such that controllers can be developed for models of any order. Using model-based feedforward control with the backward-difference method, accurate actuator control and stable RTHS are demonstrated using a nine-story steel building model implemented with an MR damper.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.226-230
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2005
This paper presents the actuation performance of a conducting shape memory polyurethane (CSMPU) actuator. We introduced a concept of shape memory polyurethane activated by electric power while conventional shape memory polyurethanes are activated by external heat source. A conducting shape memory polyurethane actuator was manufactured by adding cabon nano-tube to conventional shape memory polyurethane. The main problem of the previous CSMPU was bad dispersion of carbon nano-tubes in polyurethane. In this paper, we have tried to find manufacturing method to solve the dispersion problem. With a lot of elaborative works, we have developed conducting shape memory polyurethane actuator with good electrical performance. The actuation performance of the developed conducting shape memory polyurethane actuator was measured and assessed.
An adaptronic strut for machine tools with parallel kinematics for compensation of the influence of geometric errors is introduced. Implemented within the strut is a piezoelectric sensor-actuator unit separated in function. In the first part of this contribution, the functional principle of the strut is presented. For use of one piezoelectric transducer as both, sensor and actuator as so-called self-sensing actuator, the acquisition of the sensing signal while actuating simultaneously using electrical bridge circuits as well as filter properties are examined. In the second part the control concept developed for the adaptronic strut is presented. A co-simulation model of the strut for simulating the controlled multi-body behavior of the strut is set-up. The control design for the strut as a stand-alone system is tested under various external loads. Finally, the strut is implemented into a model of the complete machine tool and the influence of the controlled strut onto the behavior of the machine tool is examined.
In comparison with conventional shape memory actuated structures, antagonistic shape memory alloy (SMA) actuators permits a fully reversible two-way response and higher response frequency. However, excessive internal stress could adversely reduce the stroke of the actuators under repeated use. The two-way shape memory effect might further decrease the range of the recovered strain under actuation of an antagonistic SMA actuator unless additional components (e.g., spring and stopper) are added to regain the overall actuation capability. In this paper, the performance of all four possible types of SMA actuation schemes is investigated in detail with emphasis on five key properties: recovered strain, cyclic degradation, response frequency, self-sensing control accuracy, and controllable maximum output. The testing parameters are chosen based on the maximization of recovered strain. Three types of these actuators are antagonistic SMA actuators, which drive with two active SMA wires in two directions. The antagonistic SMA actuator with an additional pair of springs exhibits wider displacement range, more stable performance under reuse, and faster response, although accurate control cannot be maintained under force interference. With two additional stoppers to prevent the over stretch of the spring, the results showed that the proposed structure could achieve significant improvement on all five properties. It can be concluded that, the last type actuator scheme with additional spring and stopper provide much better applicability than the other three in most conditions. The results of the performance analysis of all four SMA actuators could provide a solid basis for the practical design of SMA actuators.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.7
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pp.562-567
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2016
Morphing wing which has a configuration optimized to flight speed and condition is faced to a lot of barriers to be overcome such as actuator technique, structural mechanization technique, flexible skin material, control law, and so on. As the first step for developing a morphing wing with rapid response, we designed and fabricated the morphing airfoil using a SMA(shape memory alloy) wire actuator and torsional bias springs. The design concept of the morphing airfoil was verified through operation test. The measured results show that the flap deflects smoothly and fast.
Le, Chan Hoang;Nguyen, Quang Sang;Park, Hoon Cheol
Smart Structures and Systems
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v.10
no.6
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pp.501-515
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2012
We design and test a shape memory alloy (SMA)-based actuation system that can be used to propel a fish robot. The actuator in the system is composed of a 0.1 mm diameter SMA wire, a 0.5 mm-thick glass/epoxy composite strip, and a fixture frame. The SMA wire is installed in a pre-bent composite strip that provides initial tension to the SMA wire. The actuator can produce a blocking force of about 200 gram force (gf) and displacement of 3.5 mm at the center of the glass/epoxy strip for an 8 V application. The bending motion of the actuator is converted into the tail-beat motion of a fish robot through a linkage system. The fish robot is evaluated by measuring the tail-beat angle, swimming speed, and thrust produced by the tail-beat motion. The tail-beat angle is about $20^{\circ}$, the maximum swimming speed is about 1.6 cm/s, and the measured average thrust is about 0.4 gf when the fish robot is operated at 0.9 Hz.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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