Katedra Pomiarów i Systemów Sterowania

AiR - studia II st

Kierunek Automatyka i Robotyka, studia II st.

Identyfikacja Procesów, sem. 1

PZE link

Modelowanie, optymalizacja i sterowanie dla celów strukturalnej redukcji hałasu urządzeń

Projekt sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2017/25/B/ST7/02236.

 

 

Tło

Drgania mechaniczne i hałas stanowią obecnie jedne z najistotniejszych zagrożeń cywilizacyjnych. Hałas o dużym natężeniu lub długotrwałej ekspozycji może prowadzić do uszkodzenia słuchu. Często powoduje rozdrażnienie, wpływa negatywnie na system nerwowy, a nawet na ostrość widzenia. W przemyśle jest on niejednokrotnie przyczyną utrudnień w komunikacji pomiędzy personelem, zmniejszając przez to efektywność wykonywanej pracy. Brak możliwości usłyszenia sygnałów alarmowych lub dźwięków związanych z pracą innych urządzeń znacząco zwiększa niebezpieczeństwo. Przekroczenie obowiązujących norm skutkuje koniecznością ograniczenia czasu pracy, zwiększając w ten sposób koszty. Nawet w gospodarstwie domowym, hałas generowany przez takie urządzenia jak pralka, odkurzacz, ekspres do kawy itp. potrafi być dotkliwy. Pasywne bariery dźwiękoizolacyjne i dźwiękochłonne są nieefektywne dla niskoczęstotliwościowych hałasów urządzeń, a w wielu przypadkach nie mogą być zastosowane, gdyż znacznie zwiększają rozmiary urządzeń lub są przyczyną ich przegrzewania i w konsekwencji awarii. Jednakże, rozwój w dziedzinach mikroelektroniki, inteligentnych materiałów, przetwarzania sygnałów i systemów sterowania, a także technik obliczeniowych umożliwia poszukiwanie alternatywnych rozwiązań.

Cel projektu

Zespół zrealizował w ostatnich latach projekt badawczy zatytułowany „Aktywna redukcja hałasu akustycznego urządzeń za pomocą sterowania drganiami obudowy”, nr DEC‑2012/07/B/ST7/01408. W ramach projektu podjęto się przygotowania podstaw teoretycznych do zaproponowania tzw. aktywnych obudów urządzeń. Ogólna koncepcja polega na otoczeniu urządzeń generujących hałas cienkościennymi obudowami (a w przypadku niektórych typów urządzeń – wykorzystaniu ich własnych obudów), których ściany będą odpowiednio sterowane za pomocą wzbudników. Celem sterowania jest generowanie drgań ścianek obudów w taki sposób, aby izolować akustycznie urządzenie („blokować” wydostawanie się dźwięku na zewnątrz obudowy). Zaletą tego podejścia jest globalna redukcja hałasu, w całym pomieszczeniu, co jest nieosiągalne przy użyciu opisanych w literaturze metod aktywnej redukcji wykorzystujących głośniki. Podczas wykonanych eksperymentów laboratoryjnych, dla hałasów tonalnych i wielotonalnych generowanych we wnętrzu obudowy uzyskano ponad 10 dB-ową globalną redukcję w całym dużym pomieszczeniu (w niektórych strefach poziom redukcji znacznie przekraczał nawet 20 dB), co spotkało się z bardzo dużym uznaniem w środowisku międzynarodowym. W rezultacie, postawiona w projekcie teza została zweryfikowana, potwierdzając że „dzięki sterowaniu drganiami ścian obudowy urządzenia, przemysłowego lub domowego, możliwa jest redukcja hałasu, na który narażeni są użytkownicy tego urządzenia”. Realizacja projektu pozwoliła otworzyć nowy kierunek badań w dziedzinie aktywnej redukcji drgań i hałasu. W trakcie realizacji tego projektu pojawiło się wiele nowych zagadnień. Opierając się o zdobyte doświadczenie, zespół podjął się realizacji nowego projektu badawczego, którego celem jest dalszy rozwój podstaw teoretycznych dla obudów redukujący hałas (w sposób pasywny, półaktywny i aktywny) i sformułowanie kompletnej teorii, która może w przyszłości zostać z sukcesem skomercjalizowana.

Metodologia

Badania prowadzone są na trzech typach obudów. Pierwszy z nich, to obudowa o sztywnej konstrukcji szkieletowej, w której każda ściana wykonana jest z osobnego panelu/paneli. Drugi typ, to obudowa o lekkiej konstrukcji bezszkieletowej, w której ściany połączone są ze sobą tworząc samonośną strukturę. Trzecim typem są obudowy rzeczywistych urządzeń, wraz z różnymi ich komplikacjami, jak przetłoczenia, zagięcia, wewnętrzne mocowania itp., co znacząco utrudnia modelowanie matematyczne.

W ramach projektu zostaną opracowane nowe typy modeli matematycznych, które będą reprezentować różne rodzaje rozważanych obudów. Zostaną one poddane szerokiej analizie umożliwiającej opracowanie wytycznych dla optymalizacji rozmieszczenia elementów pomiarowych i wykonawczych. Opracowane modele zostaną uogólnione, opierając się na parametrach, które mogą być dobrane poprzez pomiary eksperymentalne.

Podjęty zostanie problem ograniczenia złożoności obliczeniowej w aktywnych układach redukcji poprzez zastosowanie wyrafinowanych algorytmów sterowania, do tej pory nie stosowanych w tych zagadnieniach. Celem będzie także zapewnienie stabilności i poprawienie szybkości zbieżności algorytmów sterowania, szczególnie istotnej dla rzeczywistych hałasów niestacjonarnych. Badania będą miały charakter teoretyczny, wsparty wieloma symulacjami i eksperymentami na różnych obudowach, w tym rzeczywistych urządzeń.

Zostaną rozwinięte metody pasywne (nie wymagające źródeł zasilania) bazujące na optymalnym rozmieszczeniu na ścianach obudowy dodatkowych obciążeń i usztywnień. Umożliwia to kształtowanie charakterystyk częstotliwościowych obudowy w celu zwiększenia jej pasywnej izolacyjności lub poprawienia własności układu sterowania. Takie rozwiązania pasywne są szczególnie atrakcyjnie, gdyż pozwalają na uzyskanie taniego autonomicznego izolatora akustycznego o dużej skuteczności dla wybranego pasma częstotliwości. Przewiduje się również modyfikacje istniejących obudów (lub wykonanie nowych) bazując na rozwoju metodologii kształtowania odpowiedzi częstotliwościowej.

Zespół projektowy

Kierownik:

  • prof. dr hab. inż. Marek Pawełczyk

Wykonawcy:

  • prof. dr hab. inż. Jerzy Klamka
  • dr hab. inż. Dariusz Bismor
  • dr inż. Stanisław Wrona
  • dr inż. Janusz Wyrwał
  • dr inż. Krzysztof Mazur
  • mgr inż. Anna Chrapońska
  • mgr inż. Jarosław Rzepecki

Modelowanie i sterowanie w półaktywnych układach zawieszenia pojazdów mechanicznych

Projekt sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/01/B/ST7/06027.

 

 

Cel projektu

Celem projektu badawczego było zbadanie nowych możliwości sterowania w półaktywnych układach tłumienia drgań mechanicznych. Główną platformą testową wykorzystywaną w trakcie realizacji projektu był pojazd typu quad, w którym klasyczne tłumiki zastąpiono tłumikami magnetoreologicznymi (MR).

Tło

Tłumienie drgań mechanicznych w pojazdach z wykorzystaniem rozwiązań pasywnych (klasyczne zawieszenie z tłumikami) ma bardzo długą historię i jest powszechnie stosowane w praktyce. Występują tu jednak ograniczenia wynikające z istoty tych układów. Odpowiedzią na chęć poprawy jakości tłumienia miały być układy aktywne, wykorzystujące siłowniki w układzie zawieszenia. Jednak układy tego typu nie doczekały się powszechnego wykorzystania w zastosowaniach cywilnych. Wynika to z faktu, że aktywne tłumienie drgań niesie za sobą spore koszty i trudności w implementacji. W drugiej połowie XX wieku zaproponowano kompromis pomiędzy układami pasywnymi i aktywnymi, czyli tzw. układy półaktywne. Najbardziej popularnym rozwiązaniem okazały się tu tłumiki magnetoreologiczne, zawierające ciecz, której tarcie wewnętrzne zmienia się na skutek oddziaływania pola magnetycznego. Dzięki temu możliwe jest sterowanie stopniem tłumienia za pomocą prądu płynącego przez cewki, przy niewielkim wydatku energetycznym. Niestety, układy te mają bardzo złożone własności dynamiczne i stąd bardzo trudno opracowuje się dla nich odpowiednie algorytmy sterowania. Z początkiem XXI wieku rozpoczęto prace nad implementacją układów półaktywnych i udało się doprowadzić do pierwszych realizacji w zastosowaniach cywilnych, w tym do tłumienia drgań w pojazdach.

Wyniki projektu

Zrealizowany projekt badawczy składał się z kilku zadań dotyczących modelowania i zastosowania półaktywnych układów tłumienia drgań. Badania były prowadzone na drodze symulacji modelu zawieszenia półaktywnego w celu testowania różnych algorytmów sterowania tłumikami MR, jak i na zbudowanym stanowisku badawczym. W tym celu zaprojektowano i wykonano układ kontrolno-pomiarowy, umożliwiający sterowanie zawieszeniem eksperymentalnego pojazdu w czasie rzeczywistym.

W trakcie badań opracowano nowe półaktywne algorytmy tłumienia drgań. Autorzy projektu próbowali odpowiedzieć na zapotrzebowanie poprawy jakości tłumienia na kilka sposobów. W pierwszym etapie skupiono się na poprawieniu jakości modeli tłumika i pojazdu. Wykonano eksperymenty identyfikacyjne pozwalające na otrzymanie dokładniejszych modeli elementów półaktywnych. Lepsze modele wykorzystane zostały do symulacji i syntezy algorytmów sterowania.

W następnym etapie projektu opracowano nowe półaktywne algorytmy tłumienia drgań mechanicznych. Ich implementacja na pojeździe testowym pozwoliła na znaczącą redukcję drgań przenoszonych na nadwozie pojazdu.

Oprócz nowych rozwiązań w zakresie sterowania zawieszeniem, Autorzy testowali również nowatorskie rozwiązania pomiarowe. I tak na przykład, w celu zastosowania algorytmów wykorzystujących informację o nierównościach drogi i przeszkodach na drodze przed pojazdem, zastosowano skaner laserowy, kamerę wizyjną oraz popularny czujnik ruchu Kinect firmy Microsoft.

Poza pracami nad poprawą komfortu jazdy, rozważono również możliwość poprawy bezpieczeństwa jazdy. W sytuacjach nierówności na drodze i wykonywania takich manewrów, jak gwałtowne hamowanie lub awaryjne skręcanie, można w taki sposób zmienić parametry zawieszenia, aby zmniejszyć negatywny wpływ obu czynników na zachowanie całego pojazdu.

Laboratoria

W Zakładzie funkcjonują zarówno laboratoria dydaktyczne, jak i naukowo-badawcze. W laboratoriach dydaktycznych prowadzone są zajęcia dla studentów kierunków Automatyka i Robotyka oraz Elektronika i Telekomunikacja na młodszych latach studiów. Część stanowisk wykorzystywana jest na zajęciach laboratoryjnych dla makrokierunku CEIE (studia w języku angielskim). Zakład dysponuje trzema pomieszczeniami laboratoryjnymi, które pełnią również rolę sal komputerowych (211, 325, 327). 

» Lista stanowisk laboratoryjnych w układzie tematycznym

» Lista stanowisk laboratoryjnych według pomieszczeń

Aktywna redukcja hałasu urządzeń poprzez sterowanie drganiami ich obudów

Projekt sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2012/07/B/ST7/01408.

 

 

Cel projektu

Celem projektu badawczego było przygotowanie podstaw teoretycznych do zaproponowania tzw. aktywnych obudów urządzeń. Opracowano spójną metodę redukcji hałasu bezpośrednio przy źródle urządzenia o cienkościennej obudowie.

Tło

Maszyny i urządzenia są często dominującym źródłem hałasu w otoczeniu człowieka. W skali przemysłowej, wysoki poziom dźwięku może prowadzić do utraty słuchu lub innych problemów zdrowotnych. Urządzenia domowe również mogą być źródłem hałasu, choć nie charakteryzują się poziomem dźwięku, który wprost zagrażałby zdrowiu. Mogą one jednak skutecznie utrudniać pracę lub wypoczynek. Częstym sposobem ograniczenia nadmiernego hałasu urządzeń są metody pasywne. Jednak są one nieskuteczne dla niskich częstotliwości. Często nie można ich też zastosować ze względu na nadmierne zwiększenie wymiarów i masy urządzenia, a także ryzyko przegrzania. Kiedy możliwości metod pasywnych zostają wyczerpane, alternatywnie zastosować można metody aktywne. Skutecznie uzupełniają one metody pasywne w ich najsłabszych punktach - niskim paśmie częstotliwości oraz problemach związanych z odprowadzaniem ciepła.

W klasycznej aktywnej redukcji hałasu stosowane są głośniki i mikrofony w celu osiągnięcia redukcji, jednak w przestrzeni trójwymiarowej często skutkuje to utworzeniem jedynie lokalnych stref ciszy. W przypadku hałasu urządzeń, redukcja globalna jest zdecydowanie bardziej pożądana. W tym celu można zastosować aktywną strukturalną redukcję hałasu, w której stosowane są wzbudniki drgań redukujące samą emisję akustyczną drgającej struktury.

Wyniki projektu

Ze względu na bardzo dużą złożoność obiektu spowodowaną wzajemnymi oddziaływaniami wibroakustycznymi, badania podzielono na trzy etapy. W pierwszym etapie rozpatrzono obudowę o sztywnej konstrukcji minimalizującej zmienność warunków brzegowych ścian pod wpływem drgań ścian sąsiednich. W drugim etapie badano obudowę elastyczną ze wszystkimi możliwymi oddziaływaniami. W trzecim etapie badano typowe dostępne na rynku urządzenie o cienkościennej obudowie, lecz skomplikowanej konstrukcji, w tym przetłoczeniach, otworach wentylacyjnych, zaczepach dla mechanizmów wewnętrznych i złożonym niestacjonarnym hałasie - pralkę automatyczną. Opracowano modele matematyczne pojedynczych ścian i całej obudowy uwzględniające oddziaływania wibroakustyczne, optymalizowano rozmieszczenie elementów wykonawczych i pomiarowych oraz elementów pasywnych zwiększających izolacyjność akustyczną (był to temat ujawniony w trakcie realizacji projektu, nieplanowany wcześniej we wniosku, zakończony zgłoszeniem patentowym), zaprojektowano i przeanalizowano szereg struktur i algorytmów sterowania oraz wymiany danych, przeanalizowano właściwości układów dynamicznych i algorytmów oraz wyprowadzono szereg warunków. W wyniku realizacji projektu wykazano oraz potwierdzono przeprowadzoną w laboratorium analizą metrologiczną wg obowiązujących przepisów, że dla każdego typu aktywnej obudowy z zastosowaniem zaproponowanych technik możliwa jest znacząca redukcja globalna hałasu w całym pomieszczeniu, w którym znajduje się generujące hałas urządzenie lub maszyna, sięgająca 10 dB nawet dla złożonych hałasów.

Zespół projektowy

Kierownik:

  • prof. dr hab. inż. Marek Pawełczyk

Wykonawcy:

  • prof. dr hab. inż. Jerzy Klamka
  • prof. dr hab. inż. Adam Czornik
  • dr inż. Dariusz Bismor
  • dr inż. Janusz Wyrwał
  • dr inż. Radosław Zawiski
  • dr inż. Krzysztof Mazur
  • dr inż. Józef Wiora
  • mgr inż. Sebastian Kurczyk
  • mgr inż. Stanisław Wrona

Plakat

Publish the Menu module to "offcanvas" position. Here you can publish other modules as well.
Learn More.