Smart damping materials using shunt control

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1 Research Collection Doctoral Thesis Smart damping materials using shunt control Author(s): Niederberger, Dominik Publication Date: 2005 Permanent Link: Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library

2 Diss. ETH No Smart Damping Materials using Shunt Control A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTEOF TECHNOLOGY (ETH) ZÜRICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Dominik Niederberger Dipl. El.-Ing. ETH Zürich born Citizen of Wolfenschiessen,NW accepted at the recommendation of Prof. Dr. Manfred Morari, examiner Prof. Dr. Paolo Ermanni, co-examiner 2005

3 Abstract Vibration in modern structures like airplanes, satellites or cars can cause malfunctions, fatigue damages or radiate unwanted and loud noise. Since passive dampingmaterials have reached their limits to damp Vibration, new control designs with novel actuator Systems have been proposed. These so called smart materials can control and suppress Vibration in an efficient and intelligent way without causing much additional weight or cost. In this thesis, the development and implementation of such novel smart materials to damp structural Vibration is described. The proposed smart damping materials consist of piezoelectric transducers that are shunted to passive electronic circuits. These electronic shunt circuits are designed such that effective Vibration suppression is achieved that is robust to variations within the structure. Additionally, some of the suggested smart damping materials do not require external power and are thus autonomous in Operation. The introduction of the first part thoroughly reviews several shunt circuits that have been proposed in the past. These shunt circuits are categorized into different groups and criticallyanalyzed. We will see that most shunt circuits lose their damping Performance with variations in the transducer capacitance and structuralresonance frequencies. In Part II, an online-tuned resonant shunt is introduced that automatically adapts itself for the optimal Vibration suppression of one or several modes using a novel adaptation technique. It turns out that this new adaptationmethodology tunes much faster than traditionalmethodologiesand shows less miss-adjustment. Furthermore, implementationof the adaptation law is shown to be straight forward and realizable with a simple analog circuit. Part III presents an autonomousshunt circuit that does not require external elec trica! power for Operation. The proposed shunt circuit is based on a switching circuit. In the past, it was unclear how to switch these kinds of circuits in order to achieve optimaldamping, becausethe system of interest is hybrid in nature. This work shows 111

4 iv Abstract how to apply a hybrid system framework using a receding horizon optimal control methodology in order to obtain the optimal switching sequence. Additionally, a multiparametric programmingapproachis presented that leadsto the optimalswitching law. Afterwards, the derived switching law is approximated and implemented with a simple analog circuit that does not need power for Operation. Experiments demonstratethat this circuit achieves better Vibration suppression than all other shunt circuits that do not need power for Operation and have been proposed so far. An investigationof different shunt damping applications is given in Part IV. First, the suitability of novel active fiber composites(afcs) for shuntdamping is investigated and discussed. Since the inherent capacitance of AFCs is rather low, AFCs are not particularlysuitable for shunt damping. However, there are cases where their use is favorable. Afterwards, we describe how the idea of shunt damping can be extended to loudspeakers in order to damp acousticalnoise in a duct system. It is demonstrated that the noise can be efficiently reduced without the need of an error sensor. leads to many other interesting applications in the field of acoustics. This Finally, Part V concludes the main achievementsof this thesis and future research directions are outlined.

5 Zusammenfassung In modernen Strukturen, wie sie in Flugzeugen, Satelliten und Autos zu finden sind, können Schwingungen ein grosses Problem sein, weil diese zu Fehlfunktionen, Ermüdungsbrüchen oder starker Lärmabstrahlung führen können. Da die Dämpfung von passiven Dämpfungsmaterialienbegrenzt ist, werden neuartige Regelungskonzep te mit modernenaktuatoren eingesetzt. Diese sogenannten Intelligenten Materialien könnendie Schwingungen effizient und intelligent regeln und unterdrücken, wobei sie nur wenig zusätzlichesgewicht und Kosten verursachen. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und den Aufbau neuartiger, intelli genter Materialien um Strukturschwingungen zu dämpfen. Die vorgeschlagenen, intel ligenten Dämpfungsmaterialienbenutzen piezoelektrischewandler, welche mit elek tronischen Schaltungen (Shunts) verbunden sind. Die elektronischen Shunts sind so entworfen, dass eine effiziente Schwingungsunterdrückungerreicht wird, welchezudem noch robust gegenübermaterialänderungenist. Zusätzlich werden neue elektronische Shunts vorgestellt, welche überhaupt keine Energie für ihren Betrieb benötigen. Die Einführung im Teil I gibt einen detaillierten Überblick über die verschiedenen elektronischen Shunts für intelligente Materialien, welche in der Vergangenheit vor geschlagen wurden. Diese Schaltungensind in verschiedene Kategorienunterteilt und werden kritisch analysiert und verglichen. Es wird gezeigt, dass die meisten Shunts ihre Dämpfungseigenschaftenverlieren, wenn sich der Aktuator oder die Strukturre sonanzen verändern. Im Teil II wird ein online-tuned resonanter Shunt eingeführt,welcher sich selberau tomatischso einstellt, dass eine optimaleschwingungsunterdrückungeines oder mehre ren Strukturmoden erreicht wird. Dabei wird eine neue Adaptationstechnik verwendet. Es stellt sich heraus, dass diese neue Adaptationsmethode viel schneller als traditio nelle Methoden und der Einstellungsfehlerkleiner ist. Zusätzlich ist der Aufbau des entsprechendenadaptationsgesetzes sehr einfach, und es wird gezeigt, dass man dazu nur eine einfache analoge Schaltungbenötigt. Teil III präsentierteine autonomeshunt Schaltung, welche keine elektrische Ener-

6 vi Zusammenfassung giequelle für ihren Betrieb benötigt. Die vorgeschlagene Schaltungbesteht aus einem diskreten Schalter und analogen, passiven Bauelementen. In der Vergangenheit war es jedoch unklar, wie man diese Art von Schaltungen schaltet, so dass eine optimale Dämpfung erreicht wird, da das Gesamtsystemhybrid ist. Aus diesem Grund werden wir zeigen, wie man eine hybride Methode unter Verwendung von receding horizon op timal controlbenutzen kann um die optimaleschaltsequenz zu berechnen. Zusätzlich wird ein multi-parametric programming Ansatz präsentiert, welcher zum optimalen Schaltgesetz führt. Danach wird das optimale Schaltgesetz approximiert und als ein fache, analoge Schaltungaufgebaut, so dass keine elektrische Energiequelle für deren Betrieb benötigt wird. Experimente demonstrieren, dass diese Schaltungeine bessere Schwingungsunterdrückungerreicht, als alle anderen Shunt Schaltungen, die bisher vorgeschlagen wurden und keine zusätzliche Energiequelle benötigen. Eine Untersuchung verschiedener Anwendungen von Shunt Damping wird in Teil IV präsentiert. Zuerst wird die Eignung von neuartigen Aktiven Faserverbundwerkstoffe (AFCs) zusammen mit Shunt Damping untersucht und diskutiert. Da AFCs eine sehr kleine elektrische Kapazitätaufweisen, sind diese Aktuatoren für Shunt Damping eher ungeeignet. Je nach Anwendungen kann es aber trotzdem sein, dass sie vorgezogen werden können. Danach wird beschrieben wie man die Idee des Shunt Damping auf Lautsprechererweitern kann um akustischen Lärm in einer Rohrleitung zu dämpfen. Es wird gezeigt, dass der Lärm effizient unterdrückt werden kann ohne, dass man dazu einen Fehlersensor benötigt.daraus ergebensich viele weitere interessanteanwendun gen im Gebiet der Akustik. Schliesslich werden im Teil V die Ergebnisse dieser Dissertation zusammengefasst. Zusätzlich werden zukünftige Forschungsrichtungenskizziert.