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Modeling and Control of Sound and Vibration for Smart Structures

Janda, Oliver :
Modeling and Control of Sound and Vibration for Smart Structures.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4154]
Sierke-Verlag
[Dissertation], (2014)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4154

Kurzbeschreibung (Abstract)

This thesis presents a contribution to the improvement of modeling and control methodologies for smart structures. It is focused on comfort-compromising, sound- and vibration-related problems, which can be successfully handled by the concepts developed within the interdisciplinary field of adaptronics. As far as modeling of smart structures is concerned, it is advocated in this thesis to employ theoretical modeling to gather an understanding of the fundamental system properties and of the characteristics that are relevant for control design. Theoretical modeling of a generic smart structure with electromechanical as well as mechanical-acoustical coupling is illustrated at the beginning of this thesis. However, pure theoretical modeling of complex systems generally lacks sufficient accuracy for subsequent control design. For that reason, data-driven modeling is one of the key aspects of this work. A modeling procedure is developed that is capable of identifying models for linear time-invariant systems with many resonances from measurement data along with their associated model uncertainty. A minimum of prior assumptions is needed. Based on these models and their uncertainty descriptions, a straightforward yet powerful design methodology for multi-input multi-output active vibration control is presented. The resulting control design employs the well-developed machinery of H2 optimal control, and the resulting control loops are robustly stable with respect to the a-priori identified model uncertainty. This robust optimal design methodology for multi-input multi-output controllers offers both better performance and more degrees of freedom compared to the dominating design of single-input single-output controllers for active vibration control. These additional degrees of freedom especially pay off when not only vibration amplitudes but also vibration mode shapes in closed-loop are relevant. This is for example the case when acoustic radiation shall be controlled. Active acoustic control with structural measurements and control inputs is known as active structural acoustic control, which is the second key aspect of this work. A powerful tool for describing structure-borne sound radiation is the so-called power transfer matrix. This frequency-dependent matrix allows for the computation of structure-borne sound power from knowledge of structural motion. Here, a novel experimental modeling procedure for power transfer matrices is introduced which does not impose any restrictions on the geometry of the radiating structure or the acoustic environment whatsoever. With the help of this matrix, the robust optimal control design scheme for active vibration control can be extended to the control of structure-borne sound power in a straightforward manner. It is also shown that sound radiation into enclosed spaces can be handled with minor modifications of the control scheme for free-field radiation. All modeling and control design methods presented in this thesis are validated by simulation as well as experimental results.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2014
Autor(en): Janda, Oliver
Titel: Modeling and Control of Sound and Vibration for Smart Structures
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

This thesis presents a contribution to the improvement of modeling and control methodologies for smart structures. It is focused on comfort-compromising, sound- and vibration-related problems, which can be successfully handled by the concepts developed within the interdisciplinary field of adaptronics. As far as modeling of smart structures is concerned, it is advocated in this thesis to employ theoretical modeling to gather an understanding of the fundamental system properties and of the characteristics that are relevant for control design. Theoretical modeling of a generic smart structure with electromechanical as well as mechanical-acoustical coupling is illustrated at the beginning of this thesis. However, pure theoretical modeling of complex systems generally lacks sufficient accuracy for subsequent control design. For that reason, data-driven modeling is one of the key aspects of this work. A modeling procedure is developed that is capable of identifying models for linear time-invariant systems with many resonances from measurement data along with their associated model uncertainty. A minimum of prior assumptions is needed. Based on these models and their uncertainty descriptions, a straightforward yet powerful design methodology for multi-input multi-output active vibration control is presented. The resulting control design employs the well-developed machinery of H2 optimal control, and the resulting control loops are robustly stable with respect to the a-priori identified model uncertainty. This robust optimal design methodology for multi-input multi-output controllers offers both better performance and more degrees of freedom compared to the dominating design of single-input single-output controllers for active vibration control. These additional degrees of freedom especially pay off when not only vibration amplitudes but also vibration mode shapes in closed-loop are relevant. This is for example the case when acoustic radiation shall be controlled. Active acoustic control with structural measurements and control inputs is known as active structural acoustic control, which is the second key aspect of this work. A powerful tool for describing structure-borne sound radiation is the so-called power transfer matrix. This frequency-dependent matrix allows for the computation of structure-borne sound power from knowledge of structural motion. Here, a novel experimental modeling procedure for power transfer matrices is introduced which does not impose any restrictions on the geometry of the radiating structure or the acoustic environment whatsoever. With the help of this matrix, the robust optimal control design scheme for active vibration control can be extended to the control of structure-borne sound power in a straightforward manner. It is also shown that sound radiation into enclosed spaces can be handled with minor modifications of the control scheme for free-field radiation. All modeling and control design methods presented in this thesis are validated by simulation as well as experimental results.

Verlag: Sierke-Verlag
Freie Schlagworte: Smart Structures, Vibration Control, Noise Control, System Identification, Robust Control, Adaptronics
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Automatisierungstechnik und Mechatronik > Regelungstechnik und Mechatronik
Hinterlegungsdatum: 30 Nov 2014 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4154
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-41549
Gutachter / Prüfer: Konigorski, Prof. Dr. Ulrich ; Bein, Prof. Dr. Thilo
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 Mai 2014
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Verbesserung der bestehenden Methoden zur Modellierung und Regelung von adaptronischen Systemen. Im Fokus stehen Schall- und Schwingungsprobleme, welche mit den Konzepten der interdisziplinären Forschungsrichtung Adaptronik erfolgreich bearbeitet werden können. Es wird dabei zunächst theoretische Modellbildung genutzt, um die grundlegenden Systemeigenschaften und auch solche, welche für den Reglerentwuf von Bedeutung sind, herauszuarbeiten. Illustriert wird dieses Vorgehen an einem generischen Demonstrator, welcher sowohl elektromechanische als auch mechanisch-akustische Kopplungen aufweist. Da jedoch eine rein theoretische Modellierung von komplexen Systemen im Allgemeinen nicht die Genauigkeitsanforderungen für einen nachfolgenden Reglerentwurf erfüllt, stellt die experimentelle Modellbildung einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Es wird dazu ein Verfahren vorgestellt, welches es ermöglicht, Modelle von linearen zeitinvarianten Systemen mit vielen Resonanzen in Verbindung mit der zugehörigen Modellunsicherheit zu identifizieren. Hierzu ist nur ein Minimum an einschränkenden Annahmen notwendig. Basierend auf diesen Modellen inklusive der Modellunsicherheiten wird eine allgemein anwendbare und leistungsfähige Methodik zum Entwurf von Mehrgrößenreglern zur aktiven Schwingungsdämpfung vorgestellt. Dafür wird auf die ausgereifte Theorie des H2-optimalen Reglerentwurfs zurückgegriffen und die Regler so entworfen, dass die Regelkreise robuste Stabilität bzgl. der zuvor identifizierten Modellunsicherheiten aufweisen. Dieser robuste und optimale Mehrgrößenentwurf zur Schwingungsdämpfung bietet Vorteile gegenüber dem vorherrschenden Entwurf von Eingrößenreglern in Bezug auf Regelgüte und Anzahl der Freiheitsgrade. Die zusätzlichen Freiheitsgrade eines Mehrgrößenreglers sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn nicht nur die Größe der Schwingungsamplituden, sondern auch die Schwingformen im geschlossenen Regelkreis von Bedeutung sind. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn die Schallabstrahlung einer Struktur geregelt werden soll. Geschieht dies ausschließlich anhand von strukturdynamischen Mess- und Stellgrößen, so bezeichnet man dies in der englischen Fachliteratur als active structural acoustic control, welches den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit darstellt. Ein wirksames Werkzeug zur Beschreibung der Schallabstrahlung einer schwingenden Struktur ist die sogenannte Leistungsübertragungsmatrix. Diese frequenzabhängige Matrix ermöglicht die Berechnung der abgestrahlten Schallleistung anhand der Kenntnis der Strukturbewegung. In dieser Arbeit wird ein neuartiges Verfahren zur experimentellen Bestimmung der Leistungsübertragungsmatrix vorgestellt, welches keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Geometrie der Struktur oder des akustischen Umfelds aufweist. Mit Hilfe dieser Matrix ist es möglich, die robuste und optimale Schwingungsregelung auf die Regelung der abgestrahlten Schallleistung zu erweitern. Es wird ebenfalls gezeigt, dass dieses Verfahren zur Regelung der Abstrahlung ins Freifeld mit kleinen Modifikationen auch auf die Regelung des Schalleintrags in einen geschlossenen Raum angewendet werden kann. Sämtliche Modellbildungs- und Reglerentwurfsverfahren, die in dieser Arbeit präsentiert werden, werden durch Simulationen und Experimente validiert.Deutsch
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