Wang, Xidong;Pereira, Emiliano;Diaz, Ivan M.;Garcia-Palacios, Jaime H.
Smart Structures and Systems
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v.22
no.1
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pp.95-103
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2018
Active vibration control via inertial mass actuators has been shown as an effective tool to significantly reduce human-induced vertical vibrations, allowing structures to satisfy vibration serviceability limits. However, a lot of practical obstacles have to be solved before experimental implementations. This has motivated simple control techniques, such as direct velocity feedback control (DVFC), which is implemented in practice by integrating the signal of an accelerometer with a band-pass filter working as a lossy integrator. This work provides practical guidelines for the tuning of DVFC considering the damping performance, inertial mass actuator limitations, such as stroke and force saturation, as well as the stability margins of the closed-loop system. Experimental results on a full scale steel-concrete composite structure (behaves similar to a footbridge) with adjustable span are reported to illustrate the main conclusions of this work.
Kim, Do-Hyung;Chang, Young-Hwan;Han, Jae-Hung;Lee, In
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2003.04a
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pp.14-17
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2003
Vibration control of a composite plate with a surface-bonded fiber Bragg grating (FBG) sensor and piezoceramic actuators has been performed using a neural network based adaptive predictive control algorithm. For the detection of Bragg wavelength changes, two cavity lengths in Fabry-Perot read-out interferometers are used in order to produce two quadrature phase shifted signals. The FBG sensor system and real-time neuro-adaptive control algorithm could be applicable to diverse dynamic systems.
Recent studies integrating vibration control and structural health monitoring (SHM) use control devices and control algorithms to enable system identification and damage detection. In this study real-time SHM is used to enhance structural vibration control and reduce damage. A newly proposed control algorithm, including integrated real-time SHM and semi-active control strategy, is presented to mitigate both damage and seismic response of the main structure under strong seismic ground motion. The semi-active independently variable stiffness (SAIVS) device is used as semi-active control device in this investigation. The proper stiffness of SAIVS device is obtained using a new developed semi-active control algorithm based on real-time damage tracking of structure by damage detection algorithm based on identified system Markov parameters (DDA/ISMP) method. A three bay five story steel braced frame structure, which is equipped with one SAIVS device at each story, is employed to illustrate the efficiency of the proposed algorithm. The obtained results show that the proposed control algorithm could significantly decrease damage in most parts of the structure. Also, the dynamic response of the structure is effectively reduced by using the proposed control algorithm during four strong earthquakes. In comparison to passive on and off cases, the results demonstrate that the performance of the proposed control algorithm in decreasing both damage and dynamic responses of structure is significantly enhanced than the passive cases. Furthermore, from the energy consumption point of view the maximum and the cumulative control force in the proposed control algorithm is less than the passive-on case, considerably.
To effectively extract the vast wind resource, offshore wind turbines are designed with large rotor and slender tower, which makes them vulnerable to external vibration sources such as wind and wave loads. Substantial research efforts have been devoted to mitigate the unwanted vibrations of offshore wind turbines to ensure their serviceability and safety in the normal working condition. However, most previous studies investigated the vibration control of wind turbines in one direction only, i.e., either the out-of-plane or in-plane direction. In reality, wind turbines inevitably vibrate in both directions when they are subjected to the external excitations. The studies on both the in-plane and out-of-plane vibration control of wind turbines are, however, scarce. In the present study, the NREL 5 MW wind turbine is taken as an example, a detailed three-dimensional (3D) Finite Element (FE) model of the wind turbine is developed in ABAQUS. To simultaneously control the in-plane and out-of-plane vibrations induced by the combined wind and wave loads, another carefully designed (i.e., tuned) spring and dashpot are added to the perpendicular direction of each Tuned Mass Damper (TMD) system that is used to control the vibrations of the tower and blades in one particular direction. With this simple modification, a bi-directional TMD system is formed and the vibrations in both the out-of-plane and in-plane directions are simultaneously suppressed. To examine the control effectiveness, the responses of the wind turbine without control, with separate TMD system and the proposed bi-directional TMD system are calculated and compared. Numerical results show that the bi-directional TMD system can simultaneously control the out-of-plane and in-plane vibrations of the wind turbine without changing too much of the conventional design of the control system. The bi-directional control system therefore could be a cost-effective solution to mitigate the bi-directional vibrations of offshore wind turbines.
Plate and shell structure is widely applied in engineering, i.e. building roofs, aircraft wings, ship platforms, and satellite solar arrays. Its vibration problem has become increasingly prominent due to the tendency of lightening, upsizing and flexibility. As a new smart material with great actuating force and toughness, macro-fiber composite (MFC) is composed of piezoelectric fiber and epoxy resin basal body, which can be directly pasted onto the surface of plate and shell and is suitable for vibration control. This paper deduces the actuation equation of MFC coupled plate in different boundary conditions, an equivalent finite element modeling method is proposed which uses MFC actuating force as the applied excitation, and on this basis the active control simulation and experiment of MFC over plate and shell structure vibration are accomplished. The results indicate that MFC is able to implement effective control over plate and shell structure vibration in multi-band range. The comparison between experiment and simulation proves that the actuation equation deduced herein, effective and practicable, can be applied into the simulation calculation of MFC vibration control over plate and shell structure.
In this research, the dynamic stability and nonlinear vibration behavior of a smart rotating sandwich cylindrical shell is studied. The core of the structure is a functionally graded material (FGM) which is integrated by functionally graded piezoelectric material (FGPM) layers subjected to electric field. The piezoelectric layers at the inner and outer surfaces used as actuator and sensor, respectively. By applying the energy method and Hamilton's principle, the governing equations of sandwich cylindrical shell derived based on first-order shear deformation theory (FSDT). The Galerkin method is used to discriminate the motion equations and the equations are converted to the form of the ordinary differential equations in terms of time. The perturbation method is employed to find the relation between nonlinear frequency and the amplitude of vibration. The main objective of this research is to determine the nonlinear frequencies and nonlinear vibration control by using sensor and actuator layers. The effects of geometrical parameters, power law index of core, sensor and actuator layers, angular velocity and scale transformation parameter on nonlinear frequency-amplitude response diagram and dynamic stability of sandwich cylindrical shell are investigated. The results of this research can be used to design and vibration control of rotating systems in various industries such as aircraft, biomechanics and automobile manufacturing.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.2
s.257
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pp.152-159
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2007
A study on the control of free vibration and stability characteristics of rotating hollow circular shafts subjected to compressive axial forces is presented in this paper. Both passive structural tailoring technique and active control scheme via collocated piezoelectric sensing and actuation are used in the study Gyroscopic and centrifugal forces combined with the compressive axial force contribute to the occurrence of divergence and flutter instabilities of the rotating shaft. The dual methodology based on the passive and active control schemes shows a high degree of efficiency toward postponement of these instabilities and expansion of the domain of stability of the system. The structural model of the shaft is based on an advanced thin-walled beam structure that includes the non-classical effects of transverse shear, anisotropy of constituent materials and rotatory inertia.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.05a
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pp.581-586
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2004
This paper presents Newtonian formulation of the dynamics of plates treated fully with Active Constrained Layer Damping (ACLD). The developed equations of the plate/ACLD system provide analytical models far predicting the dynamic of laminated plates subjected to passive and active vibration damping controls. Numerical solutions of the analytical models are presented fir simply-supported plates in order to study the performance of the plate/ACLD system for different control strategies. The developed models present invaluable means for designing and predicting the performance of the smart laminated plates that can be used in many critical engineering applications.
The design of a passive control solution based on tuned mass dampers (TMD's) requires the estimation of the actual masses involved in the undesired vibration. This task may result not so straightforward as expected when the vibration resides in subsets of different structural components. This occurs, for instance, when the goal is to damp out vibrations on stays. The theoretical aspects are first discussed and a design process is formulated. For sake of exemplification, a multiple TMD's configurations is eventually conceived for an existing timber footbridge located in the municipality of Trasaghis (North-Eastern Italy). The bridge span is 83 m and the deck width is 3.82 m.
This paper is concerned with the real-time automatic tuning of the positive position feedback controller for smart structures by the genetic algorithms. The genetic algorithms haute proven its effectiveness in searching optimal design parameters without falling into local minimums thus rendering globally optimal solutions. The advantage of the positive position feedback controller is that if it is tuned properly it can enhance the damping value of a target mode without affecting other modes. In this paper, we develop for the first time a real-time algorithm for determining a tuning frequency of the PPF controller based on the genetic algorithms. To this end, the digital PPF control law is downloaded to the DSP chip and a main program, which runs the genetic algorithms in real time, updates the parameter of the controller in real time. Hence, any kind of control including the positive position feedback controller can be used in adaptive fashion in real time. Experimental results show that the real-time tuning of the positive position feedback controller can be achieved successfully. so that vibrations are suppressed satisfactorily.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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