Energy-information compromise in an active vibration control sensor/actuator network
Compromis énergie-information dans un réseau de capteurs/actionneurs en contrôle actif de vibration
Résumé
Unwanted vibrations pose a major challenge in many industrial applications. This research addresses a specific vibration control problem, focusing on the reduction of vibrations in a targeted region of a smart structure. The primary objective is to minimize the effects of a disturbance over a defined frequency range. The mechanical system under study is a plate equipped with two piezoelectric elements, used to illustrate the experimental results. This setup is designed to reduce vibrations generated by a localized mechanical excitation produced by a vibrating shaker. The study evaluates control effectiveness first with a single piezoelectric element and then with both elements simultaneously. Several technical challenges arise. The first concerns the use of the SSA (Self-Sensing Actuator) configuration, where each piezoelectric element is used simultaneously as a sensor and an actuator. Achieving the required level of vibration reduction in this configuration involves several difficulties. In particular, the actuation voltage must be applied to the same terminals used to extract the sensing signal, which introduces a direct feedthrough of the electrical signal. Combined with the control signal, this adds additional actuation noise inherent to all real systems. In feedback control, this polluted measurement signal reduces the signal/noise ratio when used by the controller, which is crucial for the proper operation of the closed-loop system. An electrical balancing bridge is implemented to compensate for the component related to the control signal, enabling the extraction of a measurement signal that accurately reflects the actual behavior of the structure. Nevertheless, this compensation is not perfect, and a residual error remains. This error can first be estimated analytically and then identified more precisely during system modeling, explicitly including the corresponding direct term. The influence of this residual error on system behavior, particularly regarding stability and performance, is thoroughly analyzed. A black-box identification modeling approach is then adopted based on experimental data. A model reduction procedure is applied over the frequency range of interest. All relevant sources of error, arising from both the balancing circuit and the modeling process, are considered in the analysis of system stability and performance. An H∞ control criterion is defined to ensure robustness and stability of the closed-loop system while reducing the effect of disturbances. An original controller architecture is proposed, allowing additional numerical compensation of the residual direct error. The controller is divided into two parts: a dynamic part, independent of the direct error, and a static part, adaptable to this error. The effectiveness of the control is validated through both numerical simulations and experiments on the experimental bench. Finally, this methodology is extended to a MIMO system with two piezoelectric elements in the SSA configuration, accounting for the coupling between the elements to achieve global vibration reduction. Two H∞ MIMO control strategies, centralized and structured, are developed and compared, with the structured version imposing constraints on the controller’s structure and order. A third strategy, based on the previously developed SISO methodology, is also included for comparative analysis. Simulation and experimental results are evaluated for each piezoelectric element, and the relative reduction rate is calculated in closed-loop compared to open-loop.
Les vibrations indésirables représentent un défi majeur dans de nombreuses applications industrielles. Cette recherche s’attache à résoudre un problème spécifique de contrôle de vibrations, en se concentrant sur la réduction des vibrations dans une zone ciblée d’une structure intelligente. L’objectif principal est de minimiser les effets d’une perturbation couvrant une plage de fréquences définie. Le système mécanique étudié est une plaque équipée de deux éléments piézoélectriques, utilisée pour illustrer les résultats expérimentaux. Cette installation vise à réduire les vibrations générées par une excitation mécanique localisée, produite par un pot vibrant. L’étude permet d’évaluer l’efficacité du contrôle, d’abord avec un seul élément piézoélectrique , puis avec les deux simultanément. Plusieurs défis techniques se présentent. Le premier concerne l’utilisation de la configuration SSA (Self-Sensing Actuator), dans laquelle chaque élément piézoélectrique fonctionne à la fois comme capteur et actionneur. Cependant, ces approches présentent plusieurs défis à surmonter pour atteindre le niveau de réduction des vibrations requis. Le principal problème réside dans le fait que, dans cette configuration, la tension d’actionnement doit être appliquée aux mêmes bornes que celles utilisées pour extraire le signal de détection. Cela engendre un passage direct du signal électrique qui, combiné au signal de commande, ajoute un bruit d’actionnement supplémentaire, inhérent à tous les systèmes réels. En contrôle, ce signal de mesure pollué réduit le rapport signal/bruit lorsqu’il est utilisé par le correcteur, élément essentiel au bon fonctionnement de la boucle de rétroaction. Un pont électrique d’équilibrage est mis en œuvre afin de compenser la composante liée au signal de commande, permettant ainsi d’extraire un signal de mesure représentatif du comportement réel de la structure. Toutefois, cette compensation n’est pas toujours parfaite : une erreur résiduelle subsiste. Elle peut d’abord être estimée analytiquement, puis être identifiée plus précisément lors de la modélisation du système, en intégrant explicitement le terme direct correspondant. Une analyse porte sur l’influence de cette erreur sur le comportement automatique du système, en particulier sur la stabilité et les performances. Deuxièmement, une approche de modélisation par identification black-box est adoptée à partir des données expérimentales. Une procédure de réduction du modèle est appliquée sur la plage de fréquence d’intérêt. Les différentes sources d’erreur, issues du circuit d’équilibrage et de la modélisation, sont prises en compte lors de l’analyse de la stabilité et des performances du système. Nous définissons un critère H∞ pour le contrôle des vibrations, garantissant robustesse et stabilité du système en boucle fermée et réduisant l’effet de perturbations. Une architecture originale du correcteur est proposée, permettant une compensation numérique supplémentaire de l’erreur résiduelle du terme direct. divisée en deux parties : dynamique, indépendante de l’erreur du terme direct, et statique, adaptable à cette erreur. L’efficacité du contrôle est validée par des simulations et des expériences sur banc expérimental. Enfin, nous étendons cette méthodologie à un système MIMO avec deux éléments piézoélectriques en configuration SSA, en tenant compte du couplage entre eux pour atteindre une réduction des vibrations globale. Deux stratégies de contrôle H∞ MIMO, centralisée et structurée, sont développées et comparées, la version structurée imposant des contraintes sur la structure et l’ordre du correcteur. Une troisième stratégie, basée sur la méthodologie SISO précédemment développée, est également incluse pour l’analyse comparative. Les résultats de simulation et expérimentaux sont évalués pour chaque élément piézoélectrique, et le taux de réduction relatif est calculé en boucle fermée par rapport à la boucle ouverte.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|---|
| licence |
