This study presents an online estimation of an excavator's rotational inertia by using recursive least square with forgetting. It is difficult to measure rotational inertia in real systems. Against this background, online estimation of rotational inertia is essential for improving safety and automation of construction equipment such as excavators because changes in inertial parameter impact dynamic characteristics. Regarding an excavator, rotational inertia for swing motion may change significantly according to working posture and digging conditions. Hence, rotational inertia estimation by predicting swing motion is critical for enhancing working safety and automation. Swing velocity and damping coefficient were used for rotational inertia estimation in this study. Updating rules are proposed for enhancing convergence performance by using the damping coefficient and forgetting factors. The proposed estimation algorithm uses three forgetting factors to estimate time-varying rotational inertia, damping coefficient, and torque with different variation rates. Rotational inertia in a typical working scenario was considered for reasonable performance evaluation. Three simulations were conducted by considering several digging conditions. Presented estimation results reveal the proposed estimation scheme is effective for estimating varying rotational inertia of the excavator.
This paper presents a phase portrait analysis-based safety control algorithm for excavators, using adaptive sliding mode control. Since working postures and material types cause the excavator's rotational inertia to vary, the rotational inertia was estimated, and this estimation was used to design an adaptive sliding mode controller for collision avoidance of the excavator. In order to estimate the rotational inertia, the recursive least-squares estimation with multiple forgetting was applied with the information of the swing velocity of the excavator. For realistic evaluation, an actual working scenario-based performance evaluation was conducted. Based on the estimated rotational inertia and an analysis of estimation errors, sliding mode control inputs were computed. The actual working scenario-based performance evaluation of the designed safety algorithm was conducted, and the results showed that the developed safety control algorithm can efficiently avoid a collision with an object in consideration of rotational inertia variations.
This study outlines the analysis of toggle system and the vibration control performance when the toggle-rotational inertia damper system was applied to a structure. Numerical analysis shows that the relative displacement of the structure can be amplified by amplification mechanism of the toggle system and the capacity of the damper can be reduced without the loss of vibration control performance. It is also observed that vibration control effects is caused by the increase of equivalent mass due to the rotational inertia of damper.
This paper presents a new vibration control device by which the mass and damping of a structure is increased equivalently. The vibration control system, named toggle-rotational inertia-viscous damper, can be utilized effectively in applications of small structural drift. Numerical analysis shows that because the relative drift of a structure can be effectively amplified by the toggle system, the device has a great performance in the vibration control without the increase of the damper capacity and size. It is also observed that vibration control effects is caused by the increase of equivalent mass and damping due to the rotational inertia and damping of the device.
This paper proposes a model-prediction-based collision-avoidance algorithm for excavators for which the recursive-least-squares (RLS) estimation of the excavator's rotational inertia is used. To estimate the rotational inertia of the excavator, the RLS estimation with multiple forgetting and two updating rules for the nominal parameter and the forgetting factors was conducted based on the excavator-swing dynamics. The average value of the estimated rotational inertia that is for the minimizing effects of the estimation error was computed using the recursive-average method with forgetting. Based on the swing dynamics, the computed average of the rotational inertia, the damping coefficient for braking, and the excavator's braking angle were predicted, and the predicted braking angle was compared with the detected-object angle for a safety evaluation. The safety level defined in this study consists of the three levels safe, warning, and emergency braking. The analytical rotational-inertia-based performance evaluation of the designed estimation algorithm was conducted using a typical working scenario. The results of the safety evaluation show that the predictive safety-evaluation algorithm of the proposed model can evaluate the safety level of the excavator during its operation.
Bae, SunHo;Choi, DongHee;Park, Jung-Wook;Lee, Soo Hyoung
Journal of Electrical Engineering and Technology
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제12권4호
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pp.1442-1448
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2017
Recently, electric power systems have been operating with tight margins and have reached their operational limits. Many researchers consider a microgrid as one of the best solutions to relieve that problem. The microgrid is generally powered by renewable energies that are connected through power converters. In contrast to the rotational machines in the conventional power plants, the converters do not have physical rotors, and therefore they do not have rotational inertia. Consequently, a stand-alone microgrid has no inertia when it is powered by the only converter-based-generators (CBGs). As a result, the relationship between power and frequency is not valid, and the grid frequency cannot represent the power balance between the generator and load. In this paper, a superconducting flywheel energy storage system (SFESS) is applied to an inertia-free stand-alone (IFSA) microgrid. The SFESS accelerates or decelerates its rotational speed by storing or releasing power, respectively, based on its rotational inertia. Then, power in the IFSA microgrid can be balanced by measuring the rotor speed in the SFESS. This method does not have an error accumulation problem, which must be considered for the state of charge (SOC) estimation in the battery energy storage system (BESS). The performance of the proposed method is verified by an electromagnetic transient (EMT) simulation.
The process and results of computer simulation using bond graphs for a hydraulic system driving large rotational inertia are presented in this paper. As the large rotational inertia and its application characteristics, control criteria of this system is not position-control nor velocity-control but appropriate acceleration, deceleration and inching ability. All the components' nonlinear characteristics are modelled using bond graphs. The equationing and solution process is carried out by a package. Finally it is concluded that modelling of this kind of system by bond graphs and using a software as its solver shows good approximated results to actual experimental data, and that the proposed modelling may be useful to actual design process for this kind of hydraulic system.
For the stable operation of high speed aerostatic spindle, the low rotational inertia and high damping ratio of spindle shafts as well as high fundamental natural frequency are indispensable. Conventional steel spindles are not appropriate for very high speed operation because of their high rotational inertia and low damping ratio. In this study, the composite spindles with aerostatic bearing were designed and manufactured with carbon fiber/epoxy composite. The fundamental natural frequency of the composite spindle was evaluated through the modal testing.
본 논문에서는 환자의 대장 내에서 자율적으로 이동이 가능한 자율주행 형 대장 내시경의 주행 메커니즘으로서 회전관성을 이용하여 환자의 장내 주행이 가능한 새로운 주행메커니즘의 설계 방법에 대해 제안한다. 상업용 대장 내시경은 시술할 때 환자에게 장시간의 고통과 불쾌감을 제공하여 환자들이 시술을 꺼리게 되어 내시경 검사가 필요한 대장 암 등의 조기 진단에 차질을 빚고 있다. 이 문제를 해결하기 위하여 환자의 장관 내에서 자율적으로 이동함으로써 불쾌감이나 고통을 줄일 수 있는 로봇 형 차세대 내시경에 대한 연구가 진행되어 왔다. 회전관성을 이용하는 주행 메커니즘에서는 회전관성을 일으키기 위하여 flywheel을 모터로 구동하여 에너지를 저장한다. flywheel에 의한 에너지 저장과 방출에 의하여 장내에서 로봇이 주행할 때 일어나는 stick-slip 현상을 효율적으로 극복할 수 있다. 이를 위해 flywheel의 속도제어가 가능하고 고주파 노이즈에 강건한 제어기를 설계하고 구현하였다. 여기서 제시하는 회전관성을 이용한 주행 메커니즘은 다른 메커니즘에 비해 구조가 간단할 뿐 아니라 주행도 효율적임을 실험을 통하여 증명하였다.
An improved method is presented to estimate the axial force of a bar member with vibrational measurements based on modified Timoshenko beam theory. Bending stiffness effects, rotational inertia, shear deformation, rotational inertia caused by shear deformation are all taken into account. Axial forces are estimated with certain natural frequency and corresponding mode shape, which are acquired from dynamic tests with five accelerometers. In the paper, modified Timoshenko beam theory is first presented with the inclusion of axial force and rotational inertia effects. Consistent mass and stiffness matrices for the modified Timoshenko beam theory are derived and then used in finite element simulations to investigate force identification accuracy under different boundary conditions and the influence of critical axial force ratio. The deformation coefficient which accounts for rotational inertia effects of the shearing deformation is discussed, and the relationship between the changing wave speed and the frequency is comprehensively examined to improve accuracy of the deformation coefficient. Finally, dynamic tests are conducted in our laboratory to identify progressive axial forces of a steel plate and a truss structure respectively. And the axial forces identified by the proposed method are in good agreement with the forces measured by FBG sensors and strain gauges. A significant advantage of this axial force identification method is that no assumption on boundary conditions is needed and excellent force identification accuracy can be achieved.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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