phân tích quá trình điều khiển chủ động tấm thép với tinh thể áp điện bằng các hiệu ứng về cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG TẤM THÉP VỚI TINH THỂ ÁP ĐIỆN BẰNG CÁC HIỆU ỨNG VỀ CẢM BIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG TẤM THÉP VỚI TINH THỂ ÁP ĐIỆN BẰNG CÁC HIỆU ỨNG VỀ CẢM BIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG ĐỨC VINH PHÂN TÍCH QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CHỦ ĐỘNG TẤM THÉP VỚI TINH THỂ ÁP ĐIỆN BẰNG CÁC HIỆU ỨNG VỀ CẢM BIẾN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Hoàng Đức Vinh Ngày 20, tháng 08, năm sinh: 1988 Quê quán: Quảng Trị Giới tính: Nam Nơi sinh: Vũng Tàu Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Số 13, Đường Hàn Thuyên, Phường Bình Thọ, Quận Thủ Đức, TP.Hồ Chí Minh Điện thoại nhà riêng: +841682984557 E-mail: hoangducvinh123@ gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 05/2007 đến 05/2012 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Sô Võ Văn Ngân, Bình Thọ, Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí Tên đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống tự động chiết rót đóng nắp chai dầu gió nhị thiên đường Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 08/01/2012, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: KS HỒ VIẾT BÌNH III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2012 – 2014 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Học viên IV CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI: Nguyen Khanh Binh, Hoang Duc Vinh, Nguyen Hoai Son, Phan Ha Nhut, “Mechanical Behavior of composite laminates excited by the bonded piezoelectric actuators” i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii LỜI CẢM TẠ Xin chân thành cảm ơn nhiệt tình hướng dẫn, quan tâm bảo tận tình trình thực luận văn cổ động viên tinh thần thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, luận văn “Phân tích trình điều khiển chủ động thép với tinh thể áp điện hiệu ứng cảm biến” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu xắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn tận tình bước dìu dắt, dẫn việc hoàn thành luận văn Thầy Phùng Văn Phúc định hướng bước đầu chuyên đề hai Toàn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người than động viện, quan tâm, giúp đỡ suốt trình học tập hoàn thành luận văn Tác giả luận văn Hoàng Đức Vinh iii TÓM TẮT Với tên luận văn “Phân tích trình điều khiển chủ động thép với tinh thể áp điện hiệu ứng cảm biến” Luận văn thược vòng sáu tháng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Luận văn tập trung vào điểm sau: Mô hình số hóa cấu trúc dán vật liệu áp điện Sử dụng nguyên lý Hamilton để thành lập phương trình lượng lượng điện vật liệu áp điện Sau đó, sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB để lập trình phân tích tĩnh phẳng dựa lý thuyết Kirchhoff Chương trình lập trình nhằm mục đích phân tích tĩnh động học ứng sử với lớp cảm biến lớp kích thích dán đối xứng qua mặt phẳng thép Kết luận văn so sánh với nghiệm xác phương pháp đại số lời giải báo Thuật toán điều khiển hồi tiếp sử dụng để điều khiển với giả thuyết điện đầu cảm biến hàm đạo cấp điện kích Điện sau khuyếch đại thông qua điều khiển, sau hồi tiếp trở lại kích để điều khiển thép iv ABSTRACT With name of thesis is “Active control of Steel Plate with Localized Piezoelectric Sensors and Actuators“ It was carried out within six months at University of Technical Education Ho Chi Minh City Thesis only focus on the following issues: The numerical modeling of a plate structure containing bonded piezoelectric material Hamilton‟s principle is employed to derive the finite element equations using the mechanical energy of the structure and the electrical energy of the piezoelectric material Then, A finite element code in the MATLAB platform is written for static analysis of the flat plate structures based on Kirchhoff‟s plate theory A computational program is implemented for analyzing the static and dynamic behavior of composite plates with piezoelectric layers symmetrically bonded to the top and bottom surfaces A set of numerical simulationsis performed and the results are compared with those from analytical formulation available in the literature and paper A feedback control algorithm to control the modal response of the structure is developed wherein the first derivative of the charge obtained from the PZT creamic sensor is fed back through a current amplifier with necessary feedback gain The finite element code for the dynamic analysis is showing that the said control strategy with collocated actuator-sensor pair is helpful to diminish the modal response of the structures Keywords: Finite element technique, Kirchhoff‟s plate theory, composite plates, piezoelectric material v MỤC LỤC Trang tựa TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC HÌNH xi DANH SÁCH CÁC BẢNG xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nƣớc công bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Giới thiệu chung học vật rắn 2.1.1 Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất 2.1.2 Nghuyên lý cực tiểu hóa toàn phần 2.2 Giới thiệu chung lý thuyết 10 2.2.1 Lý thuyết Kirchoff 10 2.2.1.1 Phần tử Kirchoff chịu uốn 13 2.2.2 Phần tử Mindlin chịu uốn 20 2.2.3 Phần tử tứ giác 23 2.2.3.1 Hàm dạng 24 2.2.3.2 Ma trận độ cứng phần tử 26 2.2.3.3 Qui đổi lực nút 28 2.2.3.4 Tích phân số 28 2.2.3.5 Tính ứng suất 33 2.3 Giới thiệu chung lý thuyết vật liệu áp điện 34 vi 2.3.1 Giới thiệu chung 34 2.3.2 Lịch sử phát triển hình thành 34 2.3.3 Phân loại vật liệu áp điện 36 2.3.3.1 Vật liệu có mạng tinh thể đơn 36 2.3.3.2 Gốm áp điện 36 2.3.3.3 Ploymers áp điện 38 2.3.3.4 Composite áp điện 38 2.3.3.5 Màn áp điện mỏng 39 2.3.4 Cảm biến áp điện 39 2.3.5 Bộ kích áp điện 40 2.3.6 Ứng dụng vật liệu áp điện 42 2.3.7 Thành lập phương trình vật liệu áp điện 44 2.3.7.1 Các hệ số áp điện 51 2.3.7.2 Tương tác đa trường vật liệu áp điện 54 2.4 Lý thuyết chung điều khiển 56 2.4.1 Lịch sử phát triển hình thành 56 2.4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động điển hình 56 2.4.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động 58 2.4.4 Các phương pháp mô tả động học hệ thống điều khiển tự động 59 2.4.4.1 Hàm truyền đạt hệ thống 59 2.4.4.2 Phương trình trạng thái mô tả hệ thống 60 CHƢƠNG 3: THÀNH LẬP CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN 63 3.1 Mô hình toán 63 3.2 Thành lập công thức vật liệu áp điện 67 3.3 Thành lập ma trận phần tử hữu hạn 69 3.3.1 Giới thiệu 69 3.3.2 Công thức lượng 69 3.3.3 Nguyên lý biến phân .69 3.3.4 Chuyển đổi ma trận chiệu tọa độ địa phương toàn cục 73 3.4 Phân tích tĩnh mô hình 74 vii Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn PHỤ LỤC Code phần tử hữu hạn %plate ap dien clc clear all % -% -global SF phis1 phis2 phis3 AA BB Kuu diem Ksaouu Muu CaCd global ELF ELK ELM ELKel F syms x1 x2 x3 x4 x y1 y2 y3 y4 y real NX= 3;%so phan tu theo truc x NY=3; %so phan tu theo truc y P=[1 x y x^2 x*y y^2 x^3 x^2*y x*y^2 y^3 x^3*y x*y^3]; exy=[x1 y1;x2 y2;x3 y3;x4 y4]; XX=[];XX=[XX; P; diff(P,y); -diff(P,x)]; XX=inline(XX); t=0; X=[]; for i=1:4 X=[X;XX(exy(i,1),exy(i,2))]; end X=inline(X); Lk=[diff(diff(P,x),x);diff(diff(P,y),y);2*diff(diff(P,x),y)]; Lm=[P; diff(P,x); diff(P,y)]'; Es=2*10^9;vs=0.3;Ds=Es/(1-vs^2)*[1 vs 0;vs 0;0 (1-vs)/2]; Ea=69*10^9;va=0.3;Da=Ea/(1-va^2)*[1 va 0;va 0;0 (1-va)/2]; Ep=207*10^9;vp=0.29;Dp=Ep/(1-vp^2)*[1 vp 0;vp 0;0 (1-vp)/2]; es=[0 0 ;0 0 ;0.046 0.046 ]; ea=[0 0 ;0 0 ;-12.5 -12.5 ]; HVTH: Hoàng Đức Vinh -[92]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn zetaa=[1.6 0;0 1.6 0; 0 1.6]*10^-8; zetas=[1.06 0;0 1.06 0; 0 1.06]*10^-10; hs=0.205*10^-3;ha=0.254*10^-3;hp=1*10^-3;Bza=[0 1/ha]';Bzs=[0 1/hs]'; Lxs=0.1;Lys=0.1;Lxa=0.1;Lya=0.1;Lxp=0.6;Lyp=0.4; rhos=1780;rhoa=7700;rhop=7870; h1=ha*(hp/2+ha/2)^2+ha^3/12; h2=hp^3/12; h3=hs*(hp/2+hs/2)^2+hs^3/12; Ha=[ha 0;0 h1 0;0 h1]; Hp=[hp 0;0 h2 0;0 h2]; Hs=[hs 0;0 h3 0;0 h3]; % N=P*X^-1 % dien the dat vao actuator la vol phi=[0 0]; % luc phan bo F la dieu F=100; %tao luoi vuong24x16 IEL=1; %chia luoi tu giac NPE=4;%nut tren moi phan tu XL=Lxp;YL=Lyp;NDF=3;%bactu tren 1nut for I=1:NX DX(I)=XL/NX; end for I=1:NY DY(I)=YL/NY; end X0=0;Y0=0; [NOD,GLXY,NNM,NEM]=MSH2DR(IEL,NX,NY,NPE,DX,DY,X0,Y0); NEQ=NNM*NDF;%tong bac tu cua he NN=NPE*NDF;%tongbac tu cua phan tu % dieu kien bien -%1 la goi don la cung HVTH: Hoàng Đức Vinh -[93]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn %[tongbactudo,phan tu&dof=0,gitriBC]=bcgen4(NOD,GLXY,NNM,NEM,1,1,1,1,XL,YL); [NSPV,ISPV,VSPV]=bcgen4(NOD,GLXY,NNM,NEM,1,1,1,1,XL,YL); NSSV=0 ;ISSV=0; VSSV=0; % for I=1:NSPV % BCDOF(I)=ISPV(I,1)*3+ISPV(I,2)-3; % end NHBW=0; for N=1:NEM for I=1:NPE for J=1:NPE NW=(abs(NOD(N,I)-NOD(N,J))+1)*NDF; if NHBW[...]... chủ động tấm thép thông qua các cảm biến áp điện Để phân tích quá trình tác động ngoại lực vào tấm thép ta sử dụng các cảm biến áp điện dán lên tấm thép, với đặc tính cơ điện của vật liệu này nó chuyển đổi tín hiệu cơ học thành tính hiệu điện và ngược lại từ tín hiệu này chúng ta xử lý và điều khiển ngược lại tấm thép thông qua bộ kích áp điện Để làm điều này cần phải có hiểu biết về tấm, biến dạng tấm, ... cơ -điện Phân tích, xây dựng mô hình cho quá trình điều khiển chủ động điện áp đầu vào (actuator) được dán phía trên tấm thép dựa trên tính hiệu điện áp đầu ra của cảm biến (sensor) trong quá trình làm việc Để làm được điều này thì cần tiến hành thực nghiệm về quá trình biến dạng của tấm thép với các tải bên ngoài Thí nghiệm được mô tả như sau: xét tấm thép mỏng được cố định xung quanh, dán các cảm biến áp. .. dán các tấm cảm biến áp điện lên tấm thép cần khảo sát sau đó thu nhận các tín hiệu từ các tấm dán này và kích những xung điện tương ứng để khử và làm giảm các biến dạng và dao động của chúng Để điều khiển được các biến dạng và dao động có nhiều cách khác nhau như: điều khiển hệ thống chủ động, điều khiện hệ thống bị động, điều khiển hệ thống bán chủ động Điều khiển hệ thống bị động là hệ thống không... kích áp điện được phân bố trên tấm Độ chính xác và tin cậy của phương pháp đưa ra được kiểm tra thông qua việc so sánh với lời giải phương pháp số 1.2 Mục đích của đề tài Đề tài liên quan đến việc phân tích sự biến dạng và dao động của tấm thép thông qua việc gắn các cảm biến áp điện tại các vị trị khác nhau trên tấm thép để thu nhận các tín hiệu do cảm biến áp điện phát ra Từ các tín hiệu này bằng các. .. điện lên tấm thép ở các vị trí khác nhau sau đó dùng tải tuần hoàn hoặc cố định tác động vào tấm thép khi bị biến dạng tấm áp điện sẽ sinh ra điện áp và điện áp này được đưa vào bộ khuếch sau đó được đưa vào bộ điều khiển để điều khiển trở lại tấm thép Code lập trình phần tử hữu hạn (FEM) được đưa ra dựa trên ngôn ngữ lập trình MATLAB để tính toán độ võng và biến dạng của tấm thép được dán tấm áp điện. .. kích áp điện Để đánh giá kết quả để tài ta so sánh với kết quả số của bài báo đã công bố Đề tài dừng lại ở việc phân tích tính hiệu đầu vào của các cảm biến nhằm đề xứng các phương pháp điều khiển Phương pháp phần từ hữu hạn sử dụng phần tử tứ giác để tính toán và chia lưới cho tấm thép 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Thông qua quá trình thực nghiệm và phần mền lập trình để phân tích quá trình điểu khiển chủ. .. và cảm biến bằng phương pháp làm mịn hóa góc cắt không liên tục dự trên các ô cơ bản(CS-FEM-DSG3)[5] Trong các tấm composite có gắn tấm tinh thể áp điện này, coi điện thế là hàm tuyến tính theo chiều dày của mỗi lớp [4] Thuật toán điều khiển hồi tiếp của chuyển vị và vận tốc được sử dụng để điều khiển hồi tiếp động học và biến dạng tĩnh của tấm thông qua việc điều khiển vòng lặp kính với các cảm biến. .. Sơn các trạng thái khác nhau của bộ kích được dán vào các cấu trúc chịu các trạng thái kích thích khác nhau Chen et al đã nghiên cứu về điều khiển và triệt tiêu dao động bằng phương pháp số của các cấu trúc thông minh với các phần tử tấm áp điện phân tích phần tử không gian và phần tử hữu hạn Bent đã giới thiệu vật liệu composite chứa các sợi chủ động cho bộ kích và cảm biến của cấu trúc kết hợp với các. .. phương trình tổng quát của kết cấu tấm đa lớp với các tấm áp điện được dán dựa trên lý thuyết về tấm FSDT(MindlinReissner) và lý thuyết tuyến tính của vật liệu áp điện( sự biến đổi tuyến tính của HVTH: Hoàng Đức Vinh -[4]- Luận Văn Cao Học GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn trường điện trên chiều dày của lớp áp điện) , nó bao gồm phương trình tổng quát về tải trọng kích hoạt của vật liệu áp điện và tính hiệu. .. biến dạng chịu uốn Các phương trình PTHH đối với các kết cấu tấmvỏ thường phức tạp hơn nhiều so với các dạng kết cấu khác Phần này sẽ giới thiệu về hai lý thuyết tấm được sử dụng phổ biến trong các bài toán kết cấu tấm- vỏ: lý thuyết tấm kinh điển của Kirchoff (gọi tắt là tấm Kirchoff) và lý thuyết tấm bậc nhất của Mindlin (gọi tắt là tấm Mindlin) [4] Các thuật toán PTHH đối với tấm chịu uốn tương ứng