Most of studies on control of beams containing piezoelectric sensors and actuators have been based on linear quadratic regulator (LQR) with state feedback or output feedback law. The aim of this study is to develop velocity-acceleration feedback law in the optimal control of smart piezoelectric beams. A new controller which is an optimal control system with velocity-acceleration feedback is presented. In finite element modeling of the beam, the variation of mechanical displacement through the thickness is modeled by a sinus model that ensures inter-laminar continuity of shear stress at the layer interfaces as well as the boundary conditions on the upper and lower surfaces of the beam. In addition to mechanical degrees of freedom, one electric potential degree of freedom is considered for each piezoelectric element layer. The efficiency of this control strategy is evaluated by applying to an aluminum cantilever beam under different loading conditions. Numerical simulations show that this new control scheme is almost as efficient as an optimal control system with state feedback. However, inclusion of the acceleration in the control algorithm increases practical value of a system due to easier and more accurate measurement of accelerations.
In this paper, a thermo-piezoelectric mechanism with integrated heaters and piezoelectric sensors has been studied for low power probe-based data storage. Silicon nitride cantilever integrated with silicon heater and piezoelectric sensor has been developed to improve the uniformity of cantilevers. Data bits of 40 nm in diameter were recorded on PMMA film. The sensitivity of the piezoelectric sensor was 0.615 fC/nm after poling the PZT layer. And, the $34\times34$ probe array integrated with CMOS circuits has been successfully developed by simple one-step bonding process. The process can simplify the process step and reduce tip wear using silicon nitride tip.
In piezoelectric flexible structures, the contribution of vibration modes to the dynamic response of system may change with the location of piezoelectric actuator patches, which means that the ability of actuators to control vibration modes should be taken into account in the development of modal reduction model. The spatial $H_2$ norm of modes, which serves as a measure of the intensity of modes to system dynamical response, is used to pick up the modes included in the reduction model. Based on the reduction model, the paper develops the state-space representation for uncertain flexible tructures with piezoelectric material as non-collocated actuators/sensors in the modal space, taking into account uncertainties due to modal parameters variation and unmodeled residual modes. In order to suppress the vibration of the structure, a dynamic output feedback control law is designed by imultaneously considering the conflicting performance specifications, such as robust stability, transient response requirement, disturbance rejection, actuator saturation constraints. Based on linear matrix inequality, the vibration control design is converted into a linear convex optimization problem. The simulation results show how the influence of vibration modes on the dynamical response of structure varies with the location of piezoelectric actuators, why the uncertainties should be considered in the reductiom model to avoid exciting high-frequency modes in the non-collcated vibration control, and the possiblity that the conflicting performance specifications are dealt with simultaneously.
For the potential application of smart materials to seismic structural control, this paper reviews seismic control techniques for civil engineering structures, and developments of smart materials for vibration and noise control. Analytical and finite element methods adopted for the design of distributed sensors/actuators using piezoelectric materials are discussed. Investigation of optimum position of sensors/actuators and damping are also outlined.
체외 및 체내 삽입형 이미징 기술 등에 의해서는 판별이 어려운 질환의 조기 진단을 위해 인체 내 삽입이 가능하며 체내 국소부위의 정밀 측정이 가능한 새로운 진단기술이 필요하다. 동맥경화로 발전할 수 있는 죽상경화반의 경우 이미징 기술로는 판별이 어려우나 건강한 조직 대비 미세한 기계적 물성치의 차이를 가질 것으로 예상되어 정밀한 국소 조직의 기계적 강도 측정을 통한 조기 진단이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 궁극적으로 체내 삽입이 가능하며 국소 조직의 강도 측정이 가능한 압전 재료 기반 캔틸레버 센서를 제작하고자 하였다. 압전 기능을 갖는 캔틸레버 제작을 위해 $BaTiO_3$ 나노입자 기반의 압전 고분자 복합재 최적화 연구 및 열 인장 공정으로 캔틸레버 끝 단에 마이크로 콘 구조의 팁을 제작하였다. 이 압전 캔틸레버 센서를 이용하여 기계적 물성치가 다른 생체 조직의 강도 측정을 통해 센서로서의 기능을 확인하였다.
In this study, a bender-type piezoelectric energy harvester was fabricated and evaluated to compensate for the disadvantages of high-power generation only in the resonance frequency range of a piezoelectric harvester using a piezoelectric cantilever. The generated power was investigated according to various changes in the vibration environment. Compared with the piezoelectric cantilever module, the bender-type piezoelectric module showed a larger number of peak voltages. The primary peak voltage shifted toward the low frequency when the spring was coupled to the bender-type piezoelectric module. The harvester of the three bender-type modules had a vibration frequency exceeding 1 mW in the 34-45 Hz range and generated 3.112 mW of power at the vibration frequency of 38 Hz. The harvester of the six bender-type modules had a vibration frequency exceeding 1 mW in the 31-45 Hz range and generated 3.081 mW of power at the vibration frequency of 35 Hz.
제어로봇시스템학회 1996년도 Proceedings of the Korea Automatic Control Conference, 11th (KACC); Pohang, Korea; 24-26 Oct. 1996
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pp.24.2-27
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1996
This paper is a study on the fuzzy force control of a miniature gripper driven by piezoelectric bimorph actuator. The system is composed of two flexible cantilevers, a stepping motor, a laser displacement transducer and two semiconductor force sensors attached to the beams. Obtained results show that the present artificial finger system works well as a miniature gripper, which produces approximately 0.06N force in the maximum. Further, the fuzzy position/force control algorithm is applied to the soft-handing gripper for stable grasping of a object. It revealed that the fuzzy rule-based controller be efficient controller for the stable drive of the flexible miniature gripper. It also showed that two semiconductor strain gauges located in the flexible beam play an important roles for force control, position control and vibration suppression control.
We demonstrate the improvement of sensitivity and analysis of operating characteristics of the piezoelectric pressure sensor using ZnO piezoelectric thin film and FET(field effect transistor) for sensing applied pressure and transforming the pressure into electrical signals, respectively. The sensitivity of the PSFET(pressure sensitive field effect transistor) was improved by using highly-oriented ZnO film perpendicular to the substrate surface and the operating characteristics was investigated by monitoring output voltage with time in various static pressure levels.
A control methodology for suppressing the elastodynamic responses of high-speed flexible linkage mechanisms is presented by adopting the concept of smart structures featuring piezoelectric films. The dynamic modeling of the proposed mechanism is accomplished by employing a finite element formulation which accounts for dynamic motion in both inertial and elastic coordinates. The dynamics of piezoelectric actuators and sensors bonded on the original flexible structure are developed for one-dimensional beam in conjunction with the modal analysis. The linear optimal controller which consists of a feedback control law and a Luenberger observer is employed. Numerical simulation is performed to evaluate the improvement of elastodynamic responses.
In this study, dynamic characteristics of an end-capped hull structure with surface bonded piezoelectric actuators are studied. Finite element modeling is used to obtain practical governing equation of motion and boundary conditions of smart hull structure. Modal analysis is conducted to investigate the dynamic characteristics of the hull structure. Piezoelectric actuators are attached where the maximum control performance can be obtained. Active controller based on Linear Quadratic Gaussian (LQG) theory is designed to suppress vibration of smart hull structure. It is observed that closed loop damping can be improved with suitable weighting factors in the developed LQG controller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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