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.
This paper presents a feasibility study of flexible piezoelectric paint for use in wide-band low-profile surface-mount or embeddable ultrasonic sensor for in situ structural health monitoring. Piezoelectric paint is a piezoelectric composite with 0-3 connectivity. Because of its ease of application, piezoelectric paint can be readily fabricated into sensing element with complex pattern. This study examines the characteristics of piezoelectric paint in acoustic emission signal and ultrasonic guided wave sensing. A series of ultrasonic tests including pitch catch and pencil break tests were performed to validate the ultrasonic wave sensing capability of piezoelectric paint. The results of finite element simulation of ultrasonic wave propagation, and acoustic emission generated by a pencil lead break on an aluminum plate are also presented in this paper along with corresponding experimental data. Based on the preliminary experimental results, the piezoelectric paint appears to offer a promising sensing material for use in real-time monitoring of crack initiation and propagation in both metallic and composite structures.
Mohammadimehr, Mehdi;Rostami, Rasoul;Arefi, Mohammad
Steel and Composite Structures
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v.20
no.3
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pp.513-543
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2016
Third order shear deformation theory is used to evaluate electro-elastic solution of a sandwich plate with considering functionally graded (FG) core and composite face sheets made of piezoelectric layers. The plate is resting on the Pasternak foundation and subjected to normal pressure. Short circuited condition is applied on the top and bottom of piezoelectric layers. The governing differential equations of the system can be derived using Hamilton's principle and Maxwell's equation. The Navier's type solution for a sandwich rectangular thick plate with all edges simply supported is used. The numerical results are presented in terms of varying the parameters of the problem such as two elastic foundation parameters, thickness ratio ($h_p/2h$), and power law index on the dimensionless deflection, critical buckling load, electric potential function, and the natural frequency of sandwich rectangular thick plate. The results show that the dimensionless natural frequency and critical buckling load diminish with an increase in the power law index, and vice versa for dimensionless deflection and electrical potential function, because of the sandwich thick plate with considering FG core becomes more flexible; while these results are reverse for thickness ratio.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.32
no.8
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pp.735-741
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2015
Piezoelectric materials are well-utilized for transforming mechanical vibrations into electrical energy that can be stored and used to power a diversity of devices. In this work, these materials have been studied to improve the efficiency of a piezoelectric system, whereby the shape and vibration mode of a piezoelectric module was changed. The basic shape of the piezoelectric module used in this work comprises a width of 10 mm, a length of 30 mm, and a thickness of 0.2 mm. The structural design of the piezoelectric module is optimized using a Taguchi method to increase the corresponding electrical-energy generation. The maximum terminal voltage was defined as a characteristic value to evaluate the optimal design parameters. Through this work, we propose an optimal structure with an eccentric and centric mass; furthermore, the voltage increase of approximately 26% was obtained by comparing a general plate-vibrating piezosystem with an optimal plate-vibrating piezosystem.
Zenz, Georg;Berger, Wolfgang;Gerstmayr, Johannes;Nader, Manfred;Krommer, Michael
Smart Structures and Systems
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v.12
no.5
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pp.547-577
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2013
To suppress vibration and noise of mechanical structures piezoelectric ceramics play an increasing role as effective, simple and light-weighted damping devices as they are suitable for sensing and actuating. Out of the various piezoelectric damping methods this paper compares mode based active control strategies to passive shunt damping for thin plates. Therefore, a new approach for the optimal placement of the piezoelectric sensors/actuators, or more general transducers, is proposed after intense theoretical investigations based on the Kirchhoff kinematical hypotheses of plates; in particular, modal and nilpotent transducers are discussed in detail. Based on the proposed distribution a discrete design for modal transducers is implemented, tested and verified on an experimental setup. For active control the modal sensors clearly identify the eigenmodes, whereas the modal actuators impose distributed eigenstrains in order to reduce the transverse plate vibrations. In contrast to the modal control, passive shunt damping works without requiring additional actuators or auxiliary power and can therefore act as an autonomous system, but it is less effective compensating the flexible vibrations. Exemplarily, an acryl glass plate disturbed by an arbitrary force initialized by a loudspeaker is investigated. Comparing the different methods their specific advantages are highlighted and a significant broadband reduction of the vibrations of up to -20dB is obtained.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.16
no.1
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pp.28-40
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2015
This paper aims to address the intelligent active vibration control problem of a flexible rectangular plate vibration involving parameter variation and external disturbance. An adaptive sliding mode (ASM) MIMO control strategy and smart piezoelectric materials are proposed as a solution, where the controller design can deal with problems of an external disturbance and parametric uncertainty in system. Compared with the current 'classical' control design, the proposed ASM MIMO control strategy design has two advantages. First, unlike existing classical control algorithms, where only low intelligence of the vibration control system is achieved, this paper shows that high intelligent of the vibration control system can be realized by the ASM MIMO control strategy and smart piezoelectric materials. Second, the system performance is improved due to two additional terms obtained in the active vibration control system. Detailed design principle and rigorous stability analysis are provided. Finally, experiments and simulations were used to verify the effectiveness of the proposed strategy using a hardware prototype based on NI instruments, a MATLAB/SIMULINK platform, and smart piezoelectric materials.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2003.06a
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pp.983-987
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2003
Vibration causes noise and makes structure unstable. Especially, due to the effort of lightening, deformation of flexible structure is increased in its shape. Just a little disturbance causes vibration and low damping ratio causes residual vibration lasts long time. In this paper, by using a neuro-controller, which is one of the algorithm of adaptive control. we performed adaptive control of flexible cantilever plate and opened box structure with piezoelectric materials. The proposed adaptive vibration control algorithm, a neuro-controller, is proved in its effectiveness by applying to a opened box structure. The neuro-controller was implemented with DSP, and the real-time adaptive vibration control experiment results confirm that neuro-controller is reliable.
Vibration causes noise and sometimes makes structure unstable. Especially, due to the efforts of lightening, deformation of flexible structure is increased in its shape. Just a little disturbance can cause vibration and low damping ratio makes residual vibration last long time. This research is concerned with the model reference neuro-controller design for the vibration suppression of smart structures. By using a model reference neurocontroller, which is one of the algorithms of adaptive control, we performed an adaptive control of flexible cantilever plate and opened box structure with piezoelectric materials. The proposed adaptive vibration control algorithm, a model reference neuro-controller, was proved in its effectiveness by applying to an opened box structure. The model reference neuro-controller is implemented with DSP, and the real-time adaptive vibration control experiment results confirm that the model reference neuro-controller is reliable.
This paper reports the fluid flow and heat transfer around a module cooled by forced air flow generated by a piezoelectric(PZT) cooling fan. A flexible PZT fan with distortion in a fluid transport system of comparatively simple structure which was mounted on a PCB in a parallel-plate channel($450{\times}80{\times}700mm^3$) accelerates surrounding fluid locally. Input voltages of 20-100V and a resonance frequency of 23Hz were used to vibrate the cooling fan. Input power to the module was 4W. The cooling effect using a PZT fan was larger than that of free convection. Fluid flow around the module were visualized by using PIV system. The temperature distribution around heated module were visualized by using liquid crystal film(LCF). We found that the flow type was y-shaped and the cooling effect was increased by the wake generated by a piezoelectric cooling fan.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.8
no.2
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pp.44-49
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1999
This paper is concerned with the theoretical and experimental study on the force conrtrol of a miniature robotic gripper. The gripper is an uniform flexible cantilever equipped with a distributed set of compact force sensor. As an actuator piezoelectric acturator, piezoelectric acturator is fixed with cupper plate at which the beam is clamped. The mathematical model of the assembled electro-mechaincal system is developed. The force sensor is described by a set of concentrated mass-spring system. The formulated equations of motion are applied to he study of a control problem where the gripper is commanded to grip an object The usefulness of the PID control technique is verified by experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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