Model-Based Optimal Control of Multidimensional and Multi-Tonal Frequency Varying Disturbances

Thumbnail Image

Files

isbn9789526049786.pdf (11.54 MB)
errata_of_article_P2.pdf (53.28 KB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2013-01-25
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2013

Department

Automaatio- ja systeemitekniikan laitos
Department of Automation and Systems Technology

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

138 + app. 195

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 11/2013

Abstract

Vibration is a phenomenon related to every physical system that has the potential to cause severe problems that range from increased structural fatigue to potential operator health hazards. The traditional approach to solve the vibration related problems is to dissipate the vibration energy through the addition of passive damping elements consisting of springs,masses and dampers. Even though these methods have been widely applied in all branches of industry, they are becoming increasingly inadequate in meeting the industrial standards of today. In the past decade the significant increase in the available computational power has given arise to another approach to tackle the vibration related problems; namely the active control of vibrations, which is capable of meeting the tightened standards. In this approach, the vibrations are suppressed through the excitation of external energy in a suitable form into the system,resulting in the compensation of the vibrations. The use of this approach has enabled the mitigation of vibrations in very complex structures in a deterministic manner. The major benefit of the method is the change of the underlying design problem. Namely, the original structural design problem is converted into a standard control design problem, enabling the designer to use the very powerful tools of control theory. In this thesis, a novel method for active vibration mitigation is presented. The proposed approach shares many similarities with the existing model-based methods while addressing many of the drawbacks and problems encountered with the current approaches. The proposed method is a generic nonlinear control law capable in the simultaneous suppression of multiple tonal disturbances in multiple dimensions. The control design procedure is simplified such that the number of free parameters is minimal and the impact of these parameters on the process performance is transparent. Such an approach enables the method to be applied by an industrial system specialist with possibly very little experience in control theory, unlike what is the case with the most of the existing methods. In addition, the essential tools for the performance and stability evaluation of the obtained control law are presented in detail with the focus being in the problems commonly encountered in the practical implementation.This thesis consists of a summary and five publications with the focus being on the control design, performance analysis and test-bed implementation in several industrial processes. An extensive comparison of the proposed method against the existing linear control approaches is also included in this work.

Värähtely on kaikille rakenteille tyypillinen ilmiö, jonka vaikutukset vaihtelevat rakenteiden lisääntyneestä väsymisestä ja kulumisesta mahdollisiin prosessin käyttäjän terveyshaittoihin.Perinteisesti värähtelyn haittavaikutuksia on pyritty vähentämään lisäämällä rakenteisiin jousista, vaimentimista ja massoista koostuvia vaimenninelementtejä, jotka sitovat värähtelyenergiaa. Vaikka näitä passiivisia vaimennusmenetelmiä on käytössä kaikkialla teollisuudessa, ne ovat yhä harvemmin riittäviä vastaamaan teollisuuden kasvaneisiin laatuvaatimuksiin. Viime vuosikymmenen aikana tapahtunut huomattava tietojärjestelmien laskentatehonkasvu on mahdollistanut tehokkaampien vaihtoehtoisten menetelmien käytön värähtelyjenvaimennukseen. Näihin menetelmiin lukeutuu myös aktiivinen värähtelyn vaimennus. Tämämenetelmä perustuu ulkoisen energian syöttämiseen prosessiin siten, että värähtelyenergia minimoituu, mikä osaltaan mahdollistaa hyvin ennakoitavissa olevan toiminnan myös erittäin monimutkaisissa järjestelmissä. Menetelmän suurin etu perustuu tarkasteltavan ongelman muuntamiseen rakenteiden suunnittelusta nk. perinteiseksi säätötekniseksi ongelmaksi, mikä mahdollistaa tehokkaiden säätöteoreettisten työkalujen täyden hyödyntämisen.Tässä työssä esitellään uusi menetelmä värähtelyjen aktiiviseen vaimennukseen, jolla on useita samankaltaisuuksia jo olemassa olevien menetelmien kanssa, kuitenkin siten, että suurin osa näiden sisältämistä ongelmista ratkeaa. Esitetty menetelmä on prosessista riippumaton yleiskäyttöinen epälineaarinen säätölaki, joka kykenee vaimentamaan useita häiriön taajuuskomponentteja monissa eri suunnissa samanaikaisesti. Lopullinen säätösuunnittelu muodostuu yksinkertaiseksi, jolloin vapaiden suunnittelumuuttujien määrä on mahdollisimman pieni ja joiden vaikutus prosessin toimintaan on selkeä. Tämä yksinkertaistettu lähestymistapa mahdollistaa menetelmän käytön myös sellaisen prosessisuunnittelijan toimesta, jonka säätötekniikan tuntemus on vähäinen, toisin kuin olemassa olevia menetelmiä käytettäessä. Työssä esitetään myös aihepiirin kannalta oleellisimmat analyysimenetelmät stabiilisuuden ja toimintatehokkuuden arviointiin,painopisteen ollessa käytännön sovelluksessa. Tämä työ koostuu tiivistelmästä sekä viidestä julkaisusta, joiden painopiste on säätösuunnittelussa, suorituskyvyn analysoinnissa sekä menetelmän soveltamisessa useassa erillisessä teollisuusprosessissa.

Description

Supervising professor

Zenger, Kai, Prof., Aalto University, Finland

Thesis advisor

Zenger, Kai, Prof., Aalto University, Finland

Keywords

active vibration control, continuous gain-scheduling, nonlinear optimal control, optimal control, performance evaluation, vibration isolation, aktiivinen värähtelyn vaimennus, epälineaarinen optimisäätö, jatkuva vahvistustaulukointi, optimisäätö, suorituskyvyn arviointi, värähtelyn eristys

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Orivuori J, Zenger K, Sinervo A, Laiho A. (2012). Active control of rotor vibration in an electric machine by cascaded optimal and convergent control methods. International Journal of Acoustics and Vibration. 17(1), 14-22
  • [Publication 2]: Orivuori J, Zazas I, Daley S. (2010). Active control of a frequency varying tonal disturbance by a nonlinear optimal controller with frequency tracking. Proceedings of IFAC WORKSHOPS – Periodic Control Systems PSYCO2010
  • [Publication 3]: Orivuori J, Zenger K. (2011). Active control of vibration in a rolling process by nonlinear optimal controller. Journal of System Design and Dynamics. 5(5), 681-695
  • [Publication 4]: Orivuori J, Zazas I, Daley S. (2012). Active control of frequency varying disturbances in a diesel engine. Control engineering practice. 20(11), 1206-1219
  • [Publication 5]: Orivuori J, Zenger K. (2012). Comparison and performance analysis of some active vibration control algorithms. Journal of Vibration and Control. http://dx.doi.org/10.1177/1077546312462441

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-4978-6

Collections

[diss] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC