Piezoelectric Fiber Composites with Interdigitated Electrodes (PFCIDE) were previously introduced as an alternative to monolithic wafers with conventional electrodes for applications of structural actuation. This paper is an investigation into the performance improvement of piezoelectric fiber composite actuators by changing the matrix material. This paper presents a modified micro-electromechanical model of a piezoelectric fiber/piezopolymer matrix composite actuator with interdigitated electrodes (PFPMIDE). Various concepts from different backgrounds including three-dimensional linear elastic and dielectric theories have been incorporated into the present linear piezoelectric model. The rule of mixture and the modified method to calculate the effective properties of fiber composites are extended to apply to the PFPMIDE model. The new model is validated comparing with available experimental data and other analytical results.
Piezoelectric Fiber Composites with Interdigitated Electrodes (PFCIDE) were previously introduced as an alternative to monolithic wafers with conventional electrodes for applications of structural actuation. This paper is an investigation into the performance improvement of piezoelectric fiber composite actuators by changing the matrix material. This paper presents a modified micro-electromechanical model and numerical analyses of piezoelectric fiber/piezopolymer matrix composite actuator with interdigitated electrodes (PFPMIDE). Various concepts from different backgrounds including three-dimensional linear elastic and dielectric theories have been incorporated into the present linear piezoelectric model. The rule of mixture and the modified method to calculate effective properties of fiber composites were extended to apply to the PFPMIDE model. The new model was validated when compared with available experimental data and other analytical results. To see the structural responses of a composite plate integrated with the PFPMIDE, three-dimensional finite element formulations were derived. Numerical analyses show that the shape of the graphite/epoxy composite plate with the PFPMIDE may be controlled by judicious choice of voltages, piezoelectric fiber angles, and elastic tailoring of the composite plate.
The dynamic output-feedback robust control method based on linear matrix inequality (LMI) method is presented for suppressing vibration response of a functionally graded material (FGM) beam with piezoelectric actuator/sensor layers in this paper. Based on the reduced model obtained by using direct mode truncation, the linear fractional state space representation of a piezoelectric FGM beam with material properties varying through the thickness is developed by considering both the inherent uncertainties in constitution material properties as well as material distribution and the model error due to mode truncation. The dynamic output-feedback robust H-infinity control law is implemented to suppress the vibration response of the piezoelectric FGM beam and the LMI method is utilized to convert control problem into convex optimization problem for efficient computation. In numerical studies, the flexural vibration control of a cantilever piezoelectric FGM beam is considered to investigate the accuracy and efficiency of the proposed control method. Compared with the efficient linear quadratic regulator (LQR) widely employed in literatures, the proposed robust control method requires less control voltage applied to the piezoelectric actuator in the case of same control performance for the controlled closed-loop system.
This paper presents a LMI(linear matrix inequality)-based fuzzy approach of modeling and active vibration control of geometrically nonlinear flexible plates with piezoelectric materials as actuators and sensors. The large-amplitude vibration characteristics and dynamic partial differential equation of a piezoelectric flexible rectangular thin plate structure are obtained by using generalized Fourier series and numerical integral. Takagi-Sugeno (T-S) fuzzy model is employed to approximate the nonlinear structural system, which combines the fuzzy inference rule with the local linear state space model. A robust fuzzy dynamic output feedback control law based on the T-S fuzzy model is designed by the parallel distributed compensation (PDC) technique, and stability analysis and disturbance rejection problems are guaranteed by LMI method. The simulation result shows that the fuzzy dynamic output feedback controller based on a two-rule T-S fuzzy model performs well, and the vibration of plate structure with geometrical nonlinearity is suppressed, which is less complex in computation and can be practically implemented.
In general, precise linear actuators using piezoelectric element are driven by friction force. Exact understanding of friction plays an important role in analysis and control of a motor. In this research, we designed a precise linear actuator using piezoelectric elements and observed its dynamic characteristics. By varying phase angle difference and amplitudes of the sinusoidal waves that are driving inputs, we can know that it is possible to control moving direction and distance of the slider. As preload is increased, its moving distance is decreased. And also, we have modeled a precise linear actuator using stick slip friction models such as classical, Karnopp. and reset integrator. Finally, by comparing the results of simulation and experiment, it was verified that the model is well designed.
In this paper, a linear ultrasonic motor using piezoelectric ceramics was fabricated, and its operation characteristics were investigated. A linear ultrasonic motor using L$_1$-B$_4$model was composed of a stator and a rotor, and a stator was composed of piezoelectric ceramics and a elastic body. When applied frequency and voltage were 58.4kHz and 56V respectively, the feeding speed of the motor was 19.8 cm/s. A linear ultrasonic motor could be moved in left and right directions by the phase difference. Feeding speed and feeding force of a linear ultrasonic motor could be controlled by applied voltage. A linear ultrasonic motor had a droping torque-speed characteristic. The maximum efficiency of linear ultrasonic motor was 2.14%. Therefore, this linear ultrasonic motor can be expected to be used for a card-forwarding device, such as a card reader device and so on.
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.
This paper presents a theoretic model of a smart structure, a transversely isotropic piezoelectric thick square plate constructed with three laminas, piezoelectric-elastic-piezoelectric layer, by adopting the first order shear deformation plate theory and piezoelectric theory. This model assumes that the transverse displacements through thickness are linear, and the in-plane displacements in the mid-plane of the plate are not taken to be account. By using Fourier's series expansion, an exact Navier typed analytical solution for deflection and electric potential of the simply supported smart plate is obtained. The electric boundary conditions are being grounded along four vertical edges. The external voltage and non-external voltage applied on the surfaces of piezoelectric layers are all considered. The convergence of the present approach is carefully studied. Comparison studies are also made for verifying the accuracy and the applicability of the present method. Then some new results of the electric potentials and displacements are provided. Numerical results show that the electrostatic voltage is approximately linear in the thickness direction, while parabolic in the plate in-plane directions, for both the deflection and the electric voltage. These results are very useful for distributed sensing and finite element verification.
Piezoelectric actuators exhibit limited accuracy in tracking control due to their hysteresis nonlinearity. In this study a digital tracking control approach for a piezoelectric actuator based on incorporating a feedback linearization loop with a PID feedback controller is presented. The hysteresis nonlinearity of the piezoelectric actuator is modeled in the feedback compensation loop using the Maxwell slip model. Experiments were performed on a piezoelectric 2-axis linear positioner for tracking linearly decaying sinusoidal waveforms and circles. The experimental results show that the tracking control performance is noticeably improved by augmenting the feedback loop with a model of hysteresis in the feedback compensation loop.
This paper presents the development of a new inchworm actuation system using the shearing deformation of the piezoelectric actuators. In this new actuation system, piezoelectric shearing/expanding actuators, an inertial mass and an advanced preload system are configured innovatively to generate the motion of an inertial mass. There are two modes in the new actuation system: (1) stick mode, and (2) clamp mode. In stick mode, the deformation of the piezoelectric shearing actuators drives an inertial mass by means of the friction force at their contact interface. On the other hand, in clamp mode, the piezoelectric expanding actuators provide the gripping force to an inertial mass and, as a result, eliminate its backward motion following the rapid backward deformation of the piezoelectric shearing actuators. To investigate the feasibility of the proposed new actuation system, the experimental system is built up, and the static performance evaluation and dynamic analysis are conducted. The open-loop performance of the linear motion of the proposed new actuation system is evaluated. In dynamic analysis, the mathematical model for the contact interface is established based on the LuGre friction model and the equivalent parameters are identified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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