JP2005208975A - Method for controlling active vibration of smart board in which piezoelectric fiber with metallic core is embedded - Google Patents

Method for controlling active vibration of smart board in which piezoelectric fiber with metallic core is embedded Download PDF

Info

Publication number
JP2005208975A
JP2005208975A JP2004015489A JP2004015489A JP2005208975A JP 2005208975 A JP2005208975 A JP 2005208975A JP 2004015489 A JP2004015489 A JP 2004015489A JP 2004015489 A JP2004015489 A JP 2004015489A JP 2005208975 A JP2005208975 A JP 2005208975A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric fiber
smart board
active vibration
actuator
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2004015489A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4231925B2 (en
Inventor
Kiyoshi Takagi
清志 高木
Koji Sato
宏司 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP2004015489A priority Critical patent/JP4231925B2/en
Publication of JP2005208975A publication Critical patent/JP2005208975A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4231925B2 publication Critical patent/JP4231925B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Vibration Prevention Devices (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active vibration controlling method in which a smart board obtained by embedding a piezoelectric fiber with a metallic core in a CFRP board is used as a controlled target, the piezoelectric fiber is used as a sensor/actuator and a large damping effect can be obtained. <P>SOLUTION: In the active vibration controlling method, the smart board in which the piezoelectric fiber with the metallic core is embedded is used as a controlled target, a finite element model for the controlled target is led out, a low-dimensional model for design of a control system is found out, and the piezoelectric fiber is used as a sensor or an actuator. Then the low-dimensional model is transformed into a linear fraction transform (LFT) in which the ununiformity of an actuator coefficient is considered as perturbation, a generalized plant including the obtained LFT expression is constituted and the active vibration of the smart board for designing the control system by μ design is controlled. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明はスマートボードのアクティブ振動制御方法に関し、詳しくは、金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれたスマートボードについて、圧電ファイバをセンサ・アクチュエータとして用いるアクティブ振動制御系設計手法に関するものである。   The present invention relates to an active vibration control method for a smart board, and more particularly to an active vibration control system design method using a piezoelectric fiber as a sensor / actuator for a smart board embedded with a piezoelectric fiber with a metal core.

構造部材とセンサ、アクチュエータを一体化し、材料自らが異常を検知し、さらにはそれに対する制御を行う、スマート構造に関する研究が盛んに行われてきている。その振動制御の研究としては、片持ちはり構造に単一の圧電素子や圧電フィルムを貼付し、センサ・アクチュエータとして用い、フィードバック制御を施すことで振動制御を行う研究は従来から行われている。しかし、この方法には、構造物表面に圧電セラミックや圧電フイルムが露出していることにより、外部からの衝撃に弱いという欠点が存在した。   Research has been actively conducted on smart structures in which structural members, sensors, and actuators are integrated, and the materials themselves detect abnormalities and control them. As a research on the vibration control, there has been a conventional research for controlling a vibration by attaching a single piezoelectric element or a piezoelectric film to a cantilever structure and using it as a sensor / actuator and performing feedback control. However, this method has a drawback that it is vulnerable to an external impact because the piezoelectric ceramic or piezoelectric film is exposed on the surface of the structure.

上記の欠点を解消するため、本発明者らは、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などの複合材料に、センサやアクチュエータとして埋め込む圧電材料として適する、金属細線をコアとしてその表面をチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)セラミックスで皮膜した複合型圧電線材(以下「金属コア入り圧電ファイバ」とする)を提案してきた(非特許文献1参照)。
これまで、金属コア入り圧電ファイバをCFRP板に埋め込みRLシャント回路を用いたパッシブ振動制御を行ったことが報告されている。しかし、圧電ファイバーはキャパシタンスが小さいため、大きな制御効果を得ることは困難であった(非特許文献2参照)。
佐藤宏司、下条善朗、関谷忠著、「金属細線をコアとする圧電ファイバの作製とスマートボートへの応用」、日本機会学会論文集(A編)、69巻184号(2003)、pp1805−1810 Sato, H., Shimojo, Y., Sekiya,T., “Development of the Piezoelectric Fiber and Application for the SmartBoard, Proceedings of ISSS-SPIE 2002, pp242-246.
In order to eliminate the above-mentioned drawbacks, the present inventors have made a surface of lead zirconate titanate using a fine metal wire as a core and suitable as a piezoelectric material embedded as a sensor or actuator in a composite material such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP). A composite type piezoelectric wire coated with (PZT) ceramics (hereinafter referred to as “piezoelectric fiber with a metal core”) has been proposed (see Non-Patent Document 1).
Up to now, it has been reported that passive vibration control using an RL shunt circuit was performed by embedding a metal core-containing piezoelectric fiber in a CFRP plate. However, since the piezoelectric fiber has a small capacitance, it is difficult to obtain a large control effect (see Non-Patent Document 2).
Koji Sato, Yoshiro Shimojo, Tadashi Sekiya, “Fabrication of a piezoelectric fiber with a thin metal wire as a core and its application to a smart boat”, Proceedings of the Japan Opportunity Society (A), Volume 69, No. 184 (2003), pp 1805 1810 Sato, H., Shimojo, Y., Sekiya, T., “Development of the Piezoelectric Fiber and Application for the SmartBoard, Proceedings of ISSS-SPIE 2002, pp242-246.

本発明は、金属コア入り圧電ファイバがCFRP板に埋め込まれたスマートボードを制御対象として、圧電ファイバをセンサ・アクチュエータとして用い、大きな制振効果が得られるスマートボードのアクティブ振動制御方法を提供することを目的とする。   The present invention provides an active vibration control method for a smart board capable of obtaining a large vibration suppression effect by using a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded in a CFRP plate as a control target and using the piezoelectric fiber as a sensor / actuator. With the goal.

また、複数本埋め込まれた圧電ファイバを同時に単一のピエゾアンプで駆動する場合、その不均一性が問題となる。圧電ファイバは、(1)内部の金属コアが中心から少しずれていることによる、電圧を印加したときに生ずる力の不均一性、(2)圧電ファイバを作製する際の焼結条件の微小な差異によるセラミックスの個体差、(3)圧電ファイバとCFRP複合材料の界面の影響、などの理由により個体差が生じ、アクチエータ係数に不均一性が生じる。複数本の圧電ファイバ圧電ファイバを用いる場合、各々に対して最適な制御系を設計し独立して駆動させる場合には、その数だけのピエゾアンプと制御器を必要とし、コストの増大を招くことになる。
そこで、本発明は、また、複数本の圧電ファイバを単一のピエゾアンプで駆動するための最適な制御系設計手法により、スマートボードのアクティブ振動制御方法を提供することを目的とする。
Further, when a plurality of embedded piezoelectric fibers are simultaneously driven by a single piezo amplifier, the non-uniformity becomes a problem. Piezoelectric fibers have (1) non-uniformity of force generated when a voltage is applied due to the internal metal core being slightly shifted from the center, and (2) minute sintering conditions when producing the piezoelectric fiber. Individual differences occur due to individual differences in ceramics due to differences, (3) the influence of the interface between the piezoelectric fiber and the CFRP composite material, and non-uniformity in the actuator coefficient. When multiple piezoelectric fibers are used, if an optimal control system is designed for each and driven independently, that many piezo amplifiers and controllers are required, leading to increased costs. become.
Therefore, another object of the present invention is to provide an active vibration control method for a smart board by an optimal control system design method for driving a plurality of piezoelectric fibers with a single piezo amplifier.

本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討した結果、制御対象の有限要素モデルを導出し、さらに制御系設計のための低次元化モデルを求め、低次元化モデルをアクチエータ係数の不均一性を摂動として考慮する線形分数変換(LFT)表現へと変換し、得られたLFT表現を含む一般化プラントを構成し、μ設計を行うと、圧電特性の不均一性が反映された制御系が設計できることを見出した。本発明はこの知見に基づきなすに至ったものである。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have derived a finite element model to be controlled, obtained a reduced-order model for control system design, and reduced the reduced-order model to non-uniform actuator coefficients. Is converted into a linear fractional transformation (LFT) expression that considers the perturbation as a perturbation, and a generalized plant including the obtained LFT expression is constructed, and when μ design is performed, a control system that reflects the non-uniformity of piezoelectric characteristics Found that can be designed. The present invention has been made based on this finding.

すなわち本発明は、
(1)金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれたスマートボードを制御対象とし、制御対象の有限要素モデルを導出し、さらに制御系設計のための低次元化モデルを求め、該圧電ファイバをセンサまたはアクチュエータとして用いること特徴とするスマートボードのアクティブ振動制御方法、
(2)さらに、前記低次元化モデルをアクチエータ係数の不均一性を摂動として考慮する線形分数変換(LFT)表現へと変換し、得られたLFT表現を含む一般化プラントを構成し、μ設計により制御系を設計することを特徴とする(1)項記載のスマートボードのアクティブ振動制御方法、
(3)複数本の金属コア入り圧電ファイバをアクチュエータとして用い、単一のピエゾアンプで駆動させることを特徴とする(1)または(2)項記載のスマートボードのアクティブ振動制御方法、および、
(4)前記スマートボードが炭素繊維強化プラスチックに金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれて形成されたものであることを特徴とする(1)〜(3)項記載のスマートボードのアクティブ振動制御方法
を提供するものである。
That is, the present invention
(1) A smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded is controlled, a finite element model for the controlled object is derived, a reduced-order model for control system design is obtained, and the piezoelectric fiber is used as a sensor or actuator. Active vibration control method of smart board, characterized by being used as
(2) Further, the reduced-order model is converted into a linear fractional transformation (LFT) expression that considers the non-uniformity of the actuator coefficient as a perturbation, and a generalized plant including the obtained LFT expression is constructed, and μ design A control system is designed by the active vibration control method for a smart board according to item (1),
(3) The active vibration control method for a smart board according to (1) or (2), wherein a plurality of piezoelectric fibers with metal cores are used as actuators and driven by a single piezo amplifier, and
(4) The smart board active vibration control method according to any one of (1) to (3), wherein the smart board is formed by embedding a carbon fiber reinforced plastic with a metal core-filled piezoelectric fiber. It is to provide.

本発明の方法により、金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれたCFRP板からなるスマートボードにアクティブ振動制御を施すことにより大きな制振効果が得られる。
また、アクチエータの不均一性をLFT表現とするモデルを用いた制御系設計手法により、複数の圧電ファイバを同時に単一のピアゾアンプで駆動する際も、性能の良い振動制御が行える。
さらに、共振周波数外乱による共振破壊の防止、構造体の信頼性向上が可能である。
According to the method of the present invention, a great vibration damping effect can be obtained by performing active vibration control on a smart board made of a CFRP plate in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded.
In addition, vibration control with good performance can be performed even when a plurality of piezoelectric fibers are simultaneously driven by a single piezo amplifier by a control system design method using a model in which the non-uniformity of the actuator is expressed as LFT.
Furthermore, resonance breakdown due to resonance frequency disturbance can be prevented, and the reliability of the structure can be improved.

本発明においては、金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれたスマートボードを制御対象とし、圧電ファイバをセンサまたはアクチュエータとして用いてスマートボードのアクティブ振動制御をを行うものである。この制御系の設計には、以下のi)モデリングを用いて行われる。   In the present invention, a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded is controlled, and active vibration control of the smart board is performed using the piezoelectric fiber as a sensor or an actuator. This control system is designed using the following i) modeling.

i)モデリング
圧電ファイバをはりの固有振動数で発振させ、その入力と出力信号からアクチュエータ係数の同定を行い有限要素モデルを導入する。次いで、制御系設計のために低次元化モデルを求める。
本発明において、「有限要素モデル」とは、数値シミュレーションに用いるためのスマートボードの特性を高次振動まで精度良く表したモデルを意味する。
また、「低次元化モデル」とは、制御系設計に用いるための、スマートボードの特性を主共振のみを簡略に表したモデルを意味する。
i) Modeling A piezoelectric fiber is oscillated at the natural frequency of a beam, an actuator coefficient is identified from its input and output signals, and a finite element model is introduced. Next, a reduced-order model is obtained for control system design.
In the present invention, a “finite element model” means a model that accurately represents the characteristics of a smart board for use in numerical simulations up to higher-order vibrations.
Further, the “reduced dimension model” means a model that simply represents the main resonance of the smart board characteristics for use in control system design.

この制御系の設計のモデリングでは、さらに、アクチュエータ係数の不均一性を摂動として考慮する線形分数変換(LFT)表現を用いたモデルで表現し、さらに以下のii)制御系の設計を行うことが好ましい。なお、本発明において「摂動」とは、アクチュエータ係数の平均値からのずれを意味するものである。 In the modeling of the control system design, it is further possible to express a model using a linear fractional transformation (LFT) expression that considers the non-uniformity of the actuator coefficient as a perturbation, and further ii) design the control system as follows. preferable. In the present invention, “perturbation” means a deviation from the average value of the actuator coefficient.

ii)制御系設計
LFTで表現されたモデルと、重み関数を用いて、一般化プラントを構成する。重み関数を導入することにより、はりの高次振動や外環境からの高周波ノイズに対してはロバスト安定であり、主共振である1次モードのみに重点を置いた設計が行える。
ii) Control system design A generalized plant is constructed using a model expressed in LFT and a weight function. By introducing a weighting function, it is robust against high-order vibrations of the beam and high-frequency noise from the outside environment, and a design that focuses only on the primary mode that is the main resonance can be performed.

本発明においては、上記の一般化プラントに基づいて、ロバスト制御理論であるμシンセシスによる設計(μ設計)により、制御器を求めることで、アクチュエータ係数の不均一性を考慮した制御系の設計を行うことが好ましい。μ設計による制御系設計の概略を具体的に説明すると、アクチュエータ係数の不均一性をモデル誤差として捉えて保守的に制御性能の低い設計を行うのでなく、その情報を積極的に制御系に取り込み制御性能の高い設計を行う手法である。   In the present invention, based on the above generalized plant, the controller is designed by μ synthesis, which is a robust control theory (μ design), so that the control system can be designed in consideration of the non-uniformity of the actuator coefficient. Preferably it is done. The outline of the control system design by μ design is explained concretely. Instead of considering the actuator coefficient non-uniformity as a model error and designing conservatively with low control performance, the information is actively incorporated into the control system. This is a technique for designing with high control performance.

上記の方法により設計された制御系により、複数本の金属コア入り圧電ファイバをアクチュエータとして用い、単一のピエゾアンプ駆動しても、適切に振動制御でき、コスト低下を図ることができる。   With the control system designed by the above method, even if a plurality of metal core-containing piezoelectric fibers are used as actuators and a single piezo amplifier is driven, vibration can be controlled appropriately and cost reduction can be achieved.

本発明においては、スマートボードは、CFRPに金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれて形成されたものであることが好ましい。   In the present invention, the smart board is preferably formed by embedding a CFRP containing a metal core in CFRP.

本発明に用いられる金属コア入り圧電ファイバは、金属ワイヤを芯線としてその表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆又は積層して形成したチタン酸ジルコン酸鉛ファイバであることが好ましい。また、上記金属ワイヤは、チタンワイヤまたは耐熱性金属ワイヤであることが好ましい。また、上記耐熱性金属ワイヤは、白金、ステンレス鋼またはニッケルから構成されることが好ましい。また、金属ワイヤの表面にチタン酸ジルコン酸鉛結晶を被覆するには水熱合成法または押出し成形法により行うことが好ましい。   The piezoelectric fiber with a metal core used in the present invention is preferably a lead zirconate titanate fiber formed by coating or laminating a lead zirconate titanate crystal on the surface of a metal wire as a core wire. The metal wire is preferably a titanium wire or a heat-resistant metal wire. Moreover, it is preferable that the said heat resistant metal wire is comprised from platinum, stainless steel, or nickel. Moreover, it is preferable to carry out the hydrothermal synthesis method or the extrusion molding method to coat the surface of the metal wire with the lead zirconate titanate crystal.

次に、本発明を以下の具体例に基づいてさらに詳細に説明する。
(有限要素モデル)
金属コア入り圧電ファイバ1が埋め込まれたCFRP板10を、図1に示すように片持ちはりとして用いた。圧電ファイバは16本埋め込まれ、そのうち一本をセンサ、他の15本をアクチュエータとして用いた。記号は以下のように定義した。l:はりの長さ、E:はりの弾性係数、t:はりの厚さ、w:はりの幅。まず、有限要素法によりフルオーダモデルの導出を行う。図1に示すように座標をとり、分割数は18とした。また、図1において、

Figure 2005208975
は基礎部の加速度、vは回転方向座標である。はりのねじり振動は微小なものと考え無視すると、要素の剛性行列および質量行列は Next, the present invention will be described in more detail based on the following specific examples.
(Finite element model)
The CFRP plate 10 in which the metal core-containing piezoelectric fiber 1 was embedded was used as a cantilever as shown in FIG. Sixteen piezoelectric fibers were embedded, one of which was used as a sensor and the other 15 as an actuator. The symbols were defined as follows: l: length of beam, E: elastic modulus of beam, t b : thickness of beam, w b : width of beam. First, a full order model is derived by the finite element method. As shown in FIG. 1, the coordinates were taken and the number of divisions was 18. In FIG.
Figure 2005208975
Is the acceleration of the foundation, and v is the rotation direction coordinate. If the torsional vibration of a beam is considered to be minute, the stiffness matrix and mass matrix of the element are

Figure 2005208975
Figure 2005208975

となる。
圧電ファイバは金属コアとファイバ表面間に電界が生じると、長手方向に伸縮する。そこで、i本目の圧電ファイバに電圧Vを印加することにより、はり先端に曲げモーメントMaiが発生するものとする。
It becomes.
The piezoelectric fiber expands and contracts in the longitudinal direction when an electric field is generated between the metal core and the fiber surface. Therefore, it is assumed that a bending moment M ai is generated at the tip of the beam by applying the voltage V i to the i-th piezoelectric fiber.

Figure 2005208975
Figure 2005208975

ここで、Caiはアクチュエータ係数であり、1次共振モードでの共振実験および部分空間法によるシステム同定により実験的に求めることができる。各圧電ファイバのアクチュエータ係数の典型例を図2に示す。
ここでは、要素1から要素18にわたって圧電ファイバが埋め込まれているため、はり先端に曲げモーメントが印加されると考え、運動方程式は、
Here, C ai is an actuator coefficient, and can be obtained experimentally by a resonance experiment in the primary resonance mode and system identification by the subspace method. A typical example of the actuator coefficient of each piezoelectric fiber is shown in FIG.
Here, since the piezoelectric fiber is embedded from the element 1 to the element 18, it is considered that a bending moment is applied to the tip of the beam, and the equation of motion is

Figure 2005208975
Figure 2005208975

となる。圧電ファイバをセンサとして用いるときには、はり先端のたわみ角に比例して電圧が生じるものとする。これにより状態方程式は、 It becomes. When a piezoelectric fiber is used as a sensor, a voltage is generated in proportion to the deflection angle of the beam tip. As a result, the equation of state becomes

Figure 2005208975
Figure 2005208975

となる。ここで、Ksはセンサ係数であり、CFRP板のたわみにより圧電ファイバに発生する電圧をVsとすると、 It becomes. Here, Ks is a sensor coefficient, and the voltage generated in the piezoelectric fiber due to the deflection of the CFRP plate is Vs.

Figure 2005208975
である。センサ係数はアクチュエータ係数と同様に実験的に求めることができる。
Figure 2005208975
It is. The sensor coefficient can be obtained experimentally in the same manner as the actuator coefficient.

(制御系設計のための低次元化モデル)
ここでは1次モードのみの制振を考慮するため、制御系の設計のためにはモード空間でのモデルを用いる。変位y(x,t)は形状関数φ(x)と一般化座標q(t)を用いて
(Low-dimensional model for control system design)
Here, in order to consider the damping of only the primary mode, a model in the mode space is used for the design of the control system. The displacement y (x, t) is calculated using the shape function φ i (x) and the generalized coordinates q i (t).

Figure 2005208975
となる。ここで、境界条件により形状関数は
Figure 2005208975
It becomes. Here, the shape function depends on the boundary condition.

Figure 2005208975
となる、1次モードまでを考慮すると状態空間表現は
Figure 2005208975
Considering up to the first-order mode, the state space representation is

Figure 2005208975
ここでω、ζをn次モード固有振動数、減衰係数、x、lを圧電ファイバの左端の座標、長さとすると
Figure 2005208975
Here, ω n and ζ n are the n-th mode natural frequency and damping coefficient, and x 1 and l p are the coordinates and length of the left end of the piezoelectric fiber.

Figure 2005208975
となる。観測量ははり先端のたわみ角であるため出力方程式は、
Figure 2005208975
It becomes. Since the observed quantity is the deflection angle of the beam tip, the output equation is

Figure 2005208975
となる。
Figure 2005208975
It becomes.

(線形分数変換(LFT)表現の導出)
次に、アクチュエータ係数の不均一性を摂動として考慮する線形分数変換(LFT)表現の導出を行った。式(16)は、
(Derivation of linear fractional transformation (LFT) expression)
Next, a linear fractional transformation (LFT) expression that considers the non-uniformity of the actuator coefficient as a perturbation was derived. Equation (16) is

Figure 2005208975
となる。ここで、
Figure 2005208975
It becomes. here,

Figure 2005208975
である。式(13)は、
Figure 2005208975
It is. Equation (13) is

Figure 2005208975
と表すことができ、ヒラタらの文献(M. Hirata, K. Z. Liu and T. Mita, Control
Eng. Practice, Vol.4, No.4, pp.545-552, 1996)の記載に従い、
Figure 2005208975
Hirata et al. (M. Hirata, KZ Liu and T. Mita, Control
Eng. Practice , Vol.4, No.4, pp.545-552, 1996)

Figure 2005208975
として、
Figure 2005208975
As

Figure 2005208975
と分解し、
Figure 2005208975
And decompose

Figure 2005208975
とおくと、以下のようなLET表現が得られる。
Figure 2005208975
Then, the following LET expression is obtained.

Figure 2005208975
ただし、
Figure 2005208975
However,

Figure 2005208975
である。
Figure 2005208975
It is.

(制御器の設計)
図3に示す一般化プラントに示すように、式(26)で求めたLFT表現に加え、外部入力w11、w12と制御入力z11、z12を追加して、重み関数W、Wをかけ、打ち切られた高次モードおよび高周波なノイズに対して安定性の保証を行う。さらに、z11、z12からw11、w12の間に仮想的な摂動Δwを導入することでμ設計法におけるロバスト制御性能問題をロバスト安定化問題に帰着させ、制御器を設計することができる。なお、図3で、uは制御入力、yは観測出力、Pは制御対象、δは構造化摂動である。
(試験例)
(Control design)
As shown in the generalized plant shown in FIG. 3, external inputs w 11 and w 12 and control inputs z 11 and z 12 are added to the LFT expression obtained by Expression (26), and weight functions W 1 and W 12 are added. Multiply 2 to ensure stability against truncated higher order modes and high frequency noise. Furthermore, by introducing a virtual perturbation Δw between z 11 , z 12 to w 11 , w 12 , the robust control performance problem in the μ design method can be reduced to a robust stabilization problem, and a controller can be designed. it can. In FIG. 3, u is a control input, y is an observation output, P is a control target, and δ is a structured perturbation.
(Test example)

(アクティブ振動制御試験)
金属コア入りPZTファイバ成型体を、押出し成型器に取り付けたノズルから、PZT粉に適量のバインダと水を加えて混練したペーストをワイヤガイドから導かれる直径50μmの白金細線とともにノズル出口から同時に押出すことによって作製した。押出されたファイバを常温でよく乾燥させた後、ファイバを曲がらないように固定し、焼結炉で焼結を行い直径220μm程度の圧電ファイバを作製した。つぎに、熱間プレスを用いて6プライ[0/90/0](一方向性繊維プリプレグ(東レT700S)を0度方向2枚、90度方向2枚、0度方向2枚を積層)からなるCFRPプリプレグの表面に作製した圧電ファイバを置き、ホットプレスを用いて185℃、0.3MPaの圧力を2時間加え、表面に置かれた圧電ファイバをCFRPプリプレグ内部に埋め込み、スマートボードを作製した。
(Active vibration control test)
A PZT fiber molded body containing a metal core is extruded from a nozzle attached to an extrusion molding machine at the same time from a nozzle outlet together with a platinum fine wire having a diameter of 50 μm guided from a wire guide and kneaded by adding an appropriate amount of binder and water to the PZT powder. It was prepared by. The extruded fiber was thoroughly dried at room temperature, and then fixed so as not to bend, and sintered in a sintering furnace to produce a piezoelectric fiber having a diameter of about 220 μm. Next, 6-ply with a hot press [0 2/90 2/0 2] (two 0-degree direction unidirectional fiber prepreg (Toray T700S), two 90-degree direction, the two 0-degree direction Laminated piezoelectric fiber is placed on the surface of the CFRP prepreg, and the pressure is 185 ° C. and 0.3 MPa is applied for 2 hours using a hot press, and the piezoelectric fiber placed on the surface is embedded in the CFRP prepreg. Was made.

作製されたスマートボード2を図4に示すように制御試験装置に適用した。CFRP複合材料にたわみ変形が生じると、埋め込まれた圧電ファイバ3には伸び変形生じ、CFRP材料と金属コアとの間に電荷を発生させる。本実施例では、ボルテージホロワ4を介して、AD/DA変換器5でAD変換することによりパーソナルコンピュータ6に取り込んでいる。そして、上記の設計した制御器を1msで離散化して実装した。パーソナルコンピュータ6内でこの信号を用いて、振動を抑制させるためのフィードバック信号が計算される。この信号はAD/DA変換器7でDA変換されたのち、単一のピエゾアンプ8により増幅され、全ての電圧ファイバに印加される。これにより、電圧ファイバをアクチュエータとして用いた。なお、本実施例では、AD/DA変換器5,7はコンテック社製ADA16−32/2(PCI)Fを用いた。また、ピエゾアンプ5としては、NF ELECTRONIC INSTRUMENT社製ピエゾドライバ4005を用いた。また、はり先端の変位データ測定用のレーザセンサ9として、キーエンス社製レーザ変位計LK−2000を用いた。   The produced smart board 2 was applied to a control test apparatus as shown in FIG. When the bending deformation occurs in the CFRP composite material, the embedded piezoelectric fiber 3 is stretched and deformed, and an electric charge is generated between the CFRP material and the metal core. In the present embodiment, the AD / DA converter 5 performs AD conversion via the voltage follower 4 to take in the personal computer 6. The controller designed as described above was discretized and mounted in 1 ms. A feedback signal for suppressing vibration is calculated using this signal in the personal computer 6. This signal is D / A converted by the AD / DA converter 7, amplified by a single piezo amplifier 8, and applied to all voltage fibers. Thereby, the voltage fiber was used as an actuator. In the present embodiment, AD / DA converters 5 and 7 are ADA16-32 / 2 (PCI) F manufactured by Contec. As the piezo amplifier 5, a piezo driver 4005 manufactured by NF ELECTRONIC INSTRUMENT was used. Further, a laser displacement meter LK-2000 manufactured by Keyence Corporation was used as the laser sensor 9 for measuring displacement data at the tip of the beam.

圧電ファイバをセンサおよびアクチュエータとして用い、上記式(1)〜(27)に,基づいたスマートボードの制御試験における応答結果を図5、6に示す。なお、本試験例におけるモデルのパラメータを表1に示す。   5 and 6 show response results in a smart board control test based on the above formulas (1) to (27) using a piezoelectric fiber as a sensor and an actuator. Table 1 shows the parameters of the model in this test example.

Figure 2005208975
Figure 2005208975

外乱は制御開始前に1次モード固有振動数で±50Vの電圧を1秒間印加し、発振させることにより与えている。制御時の応答を実線で、比較として非制御時の応答を破線で示す。図5ははり先端の変位を示すグラフである。横軸は時間(秒)、縦軸は変位(m)を示している。実線で示されるものは、破線で示されるものに比べ、より短時間で変位の幅が小さくなっており、本制御系設計手法の運用により、速やかにはりの振動を押さえていることがわかる。図6は圧電ファイバのセンサ出力を示すグラフである。横軸は時間(秒)、縦軸はセンサー出力(V)を示している。図6より、外部の高周波ノイズの影響から、若干のノイズが混入しているが、制御された入力に対して、制御系が不安定になることなく制御が行えることがわかる。   The disturbance is given by applying a voltage of ± 50 V at the primary mode natural frequency for 1 second before starting the control to oscillate. The response at the time of control is indicated by a solid line, and the response at the time of non-control is indicated by a broken line as a comparison. FIG. 5 is a graph showing the displacement of the beam tip. The horizontal axis indicates time (seconds), and the vertical axis indicates displacement (m). What is indicated by the solid line has a smaller displacement width in a shorter time than that indicated by the broken line, and it can be seen that the vibration of the beam is quickly suppressed by the operation of this control system design method. FIG. 6 is a graph showing the sensor output of the piezoelectric fiber. The horizontal axis represents time (seconds), and the vertical axis represents sensor output (V). FIG. 6 shows that although some noise is mixed due to the influence of external high-frequency noise, control can be performed on the controlled input without the control system becoming unstable.

金属コア入り圧電ファイバの有限要素モデル導入のための座標の一例の説明図である。It is explanatory drawing of an example of the coordinate for finite element model introduction | transduction of the piezoelectric fiber containing a metal core. 不均一な特性を持つ圧電ファイバの個々のアクチュエータ係数の同定結果の一例を示すデータである。It is data which shows an example of the identification result of each actuator coefficient of the piezoelectric fiber with a non-uniform characteristic. 圧電ファイバの不均一性を考慮したLFTと重み関数を含む一般化プラントの一例を示す工程図である。It is process drawing which shows an example of the generalized plant containing LFT and the weight function which considered the non-uniformity of the piezoelectric fiber. 試験例における振動制御試験装置の説明図である。It is explanatory drawing of the vibration control test apparatus in a test example. 試験例の振動制御試験におけるはり先端の応答を示すグラフである。It is a graph which shows the response of the beam tip in the vibration control test of a test example. 試験例の振動制御試験におけるセンサ出力応答を示すグラフである。It is a graph which shows the sensor output response in the vibration control test of a test example.

符号の説明Explanation of symbols

1 圧電ファイバ
2 スマートボード
3 圧電ファイバ
4 ボルテージホロワ
5 AD/DA変換器
6 パーソナルコンピュータ
7 AD/DA変換器
8 ピエゾアンプ
9 レーザセンサ
10 CFRP板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Piezoelectric fiber 2 Smart board 3 Piezoelectric fiber 4 Voltage follower 5 AD / DA converter 6 Personal computer 7 AD / DA converter 8 Piezo amplifier 9 Laser sensor 10 CFRP board

Claims (4)

金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれたスマートボードを制御対象とし、制御対象の有限要素モデルを導出し、さらに制御系設計のための低次元化モデルを求め、該圧電ファイバをセンサまたはアクチュエータとして用いること特徴とするスマートボードのアクティブ振動制御方法。   Using a smart board with a metal core embedded piezoelectric fiber as a control target, deriving a finite element model of the control target, obtaining a reduced-order model for control system design, and using the piezoelectric fiber as a sensor or actuator A smart board active vibration control method. さらに、前記低次元化モデルをアクチエータ係数の不均一性を摂動として考慮する線形分数変換(LFT)表現へと変換し、得られたLFT表現を含む一般化プラントを構成し、μ設計により制御系を設計することを特徴とする請求項1記載のスマートボードのアクティブ振動制御方法。   Furthermore, the reduced-order model is converted into a linear fractional transformation (LFT) expression that considers the non-uniformity of the actuator coefficient as a perturbation, and a generalized plant including the obtained LFT expression is configured, and the control system is configured by μ design. The active vibration control method for a smart board according to claim 1, wherein: 複数本の金属コア入り圧電ファイバをアクチュエータとして用い、単一のピエゾアンプで駆動させることを特徴とする請求項1または2記載のスマートボードのアクティブ振動制御方法。   3. The smart board active vibration control method according to claim 1, wherein a plurality of metal core-containing piezoelectric fibers are used as actuators and driven by a single piezo amplifier. 前記スマートボードが炭素繊維強化プラスチックに金属コア入り圧電ファイバが埋め込まれて形成されたものであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のスマートボードのアクティブ振動制御方法。   4. The smart board active vibration control method according to claim 1, wherein the smart board is formed by embedding a piezoelectric fiber containing a metal core in a carbon fiber reinforced plastic.
JP2004015489A 2004-01-23 2004-01-23 An active vibration control method for a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded. Expired - Lifetime JP4231925B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004015489A JP4231925B2 (en) 2004-01-23 2004-01-23 An active vibration control method for a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004015489A JP4231925B2 (en) 2004-01-23 2004-01-23 An active vibration control method for a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005208975A true JP2005208975A (en) 2005-08-04
JP4231925B2 JP4231925B2 (en) 2009-03-04

Family

ID=34900945

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004015489A Expired - Lifetime JP4231925B2 (en) 2004-01-23 2004-01-23 An active vibration control method for a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded.

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4231925B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102097583A (en) * 2010-11-29 2011-06-15 南京航空航天大学 Method for packaging piezoelectric ceramic fiber containing metal core
CN102110772A (en) * 2010-11-29 2011-06-29 南京航空航天大学 Preparation method of piezoelectric ceramic fiber intelligent interlayer
CN104536477A (en) * 2014-12-29 2015-04-22 中国电子科技集团公司第二十九研究所 Glass noise active control silencing system and operating method
CN105928572A (en) * 2016-04-27 2016-09-07 扬州大学 Flow measuring device of piezoelectric fiber containing metal core

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102097583A (en) * 2010-11-29 2011-06-15 南京航空航天大学 Method for packaging piezoelectric ceramic fiber containing metal core
CN102110772A (en) * 2010-11-29 2011-06-29 南京航空航天大学 Preparation method of piezoelectric ceramic fiber intelligent interlayer
CN104536477A (en) * 2014-12-29 2015-04-22 中国电子科技集团公司第二十九研究所 Glass noise active control silencing system and operating method
CN105928572A (en) * 2016-04-27 2016-09-07 扬州大学 Flow measuring device of piezoelectric fiber containing metal core

Also Published As

Publication number Publication date
JP4231925B2 (en) 2009-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fleming et al. Design, modeling and control of nanopositioning systems
Choi et al. A piezo-driven compliant stage with double mechanical amplification mechanisms arranged in parallel
Shi et al. Functionally graded piezoelectric cantilever beam under load
KR100984333B1 (en) Electromechanical Transducer and Manufacturing Method of the Same
Chen et al. A monolithic self-sensing precision stage: Design, modeling, calibration, and hysteresis compensation
Peng et al. Piezoelectric micromachined ultrasonic transducer based on dome-shaped piezoelectric single layer
Du et al. Topological optimization of mechanical amplifiers for piezoelectric actuators under dynamic motion
Wetherhold et al. Optimization of directionally attached piezoelectric actuators
York et al. Millimeter-sized piezoelectric flextensional actuators with improved mechanical efficiency
JP4231925B2 (en) An active vibration control method for a smart board in which a piezoelectric fiber with a metal core is embedded.
Ferrara-Bello et al. XYZ Micropositioning System Based on Compliance Mechanisms Fabricated by Additive Manufacturing
Shivashankar et al. Design, modeling and testing of d33-mode surface-bondable multilayer piezoelectric actuator
Kothari et al. A study on epoxy‐based 1–3 piezoelectric composites using finite element method
Koc et al. Impact force analysis in inertia-type piezoelectric motors
Collet et al. Active damping of a micro-cantilever piezo-composite beam
Mohammadzaheri et al. Micro/nanopositioning systems with piezoelectric actuators and their role in sustainability and ecosystems
Yaqoob Yasin et al. Influence of piezoelectric nonlinearity on active vibration suppression of smart laminated shells using strong field actuation
Li et al. A new approach to modeling system dynamics—In the case of a piezoelectric actuator with a host system
Rao et al. Characterization of piezoelectric polymer composites for MEMS devices
Prabhu et al. Design, fabrication, and testing of flexurally amplified piezo actuator
Askari et al. A comparative study on macrofiber composites and active fiber composites with metal-core piezoelectric actuators/sensors
Karmakar et al. Effective properties and sensing capabilities of cement-based porous piezocomposites: a comparative study
Bharti et al. Optimal design and experimental characterization of a compliant mechanism piezoelectric actuator for inertially stabilized rifle
Alexander et al. Piezoceramic telescopic actuator quasi-static experimental characterization
Liu et al. Design and control of a novel piezo-driven micro-injector

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050616

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20071009

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20071210

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080527

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080728

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20080728

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080819

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20080929

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081111

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4231925

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term