Optimization of Longitudinal Motions of an Elastic Rod Using Periodically Distributed Piezoelectric Forces

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The longitudinal vibrations of an elastic rod controlled by a distributed force, which is applied to individual sections of the rod, are studied. It is assumed that the force varies in space in a piecewise constant manner. Such a mechanical system can be implemented using piezoactuators attached along the rod. The dynamics of the system is determined from the solution of the variational problem following the method of integrodifferential relations. The variational problem is solved analytically. To do this, traveling waves of the d’Alembert type are introduced on the space-time mesh, which determine continuous displacements and a dynamic potential. The latter relates the momentum density and stresses. A control problem is posed under the condition of the weighted minimization of the vibrational energy stored by the rod at the terminal time instant, and the mean potential energy generated by the control actions. The extremal motion and the corresponding control law are found explicitly by solving the Euler–Lagrange equations. As an example, the control capabilities for certain configurations of piezoelectric elements are studied.

About the authors

A. A. Gavrikov

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS (IPMech RAS), 119526, Moscow, Russia

Email: kostin@ipmnet.ru
Россия, Москва

G. V. Kostin

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS (IPMech RAS), 119526, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: kostin@ipmnet.ru
Россия, Москва

References

  1. Lions J.L. Optimal Control of Systems Governed by Partial Differential Equations. N.Y.: Springer-Verlag, 1971. 400 p.
  2. Бутковский А.Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. М.: Наука, 1965. 474 с.
  3. Романов И.В., Шамаев А.С. О задаче граничного управления для системы, описываемой двумерным волновым уравнением // Изв. РАН. ТиСУ. 2019. № 1. С. 109–116.
  4. Черноусько Ф.Л., Ананьевский И.М., Решмин С.А. Методы управления нелинейными механическими системами. М.: Физматлит, 2006. 328 с.
  5. Chen G. Control and Stabilization for the Wave Equation in a Bounded Domain. II // SIAM J. Control Optim. 1981. V. 19. № 1. P. 114–122.
  6. Kucuk I., Sadek I., Yilmaz Y. Optimal Control of a Distributed Parameter System with Applications to Beam Vibrations Using Piezoelectric Actuators // J. Franklin Inst. 2014. V. 351. № 2. P. 656–666.
  7. Kostin G.V., Saurin V.V. Dynamics of Solid Structures. Methods Using Integrodifferential Relations. Berlin: De Gruyter, 2018.
  8. Гавриков А.А., Костин Г.В. Оптимальное управление продольным движением упругого стержня с помощью граничных сил // Изв. РАН. ТиСУ. 2021. № 5. С. 74–90.
  9. Kostin G., Gavrikov A. Energy-Optimal Control by Boundary Forces for Longitudinal Vibrations of an Elastic Rod // Lecture Notes in Mechanical Engineering Advanced Problems in Mechanics III. Springer, 2023.
  10. Kostin G., Gavrikov A. Controllability and Optimal Control Design for an Elastic Rod Actuated by Piezoelements // IFAC-PapersOnLine. 2022. V. 55. № 16. P. 350–355. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2022.09.049
  11. Kostin G., Gavrikov A. Optimal Motions of an Elastic Structure Under Finite-dimensional Distributed Control // ArXiv. 2023. arXiv:2304.05765. P. 1–17. https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.05765.
  12. Kostin G., Gavrikov A. Optimal Motion of an Elastic Rod Controlled by Piezoelectric Actuators and Boundary Forces // 16th Intern. Conf. “Stability and Oscillations of Nonlinear Control Systems” (Pyatnitskiy’s Conference) (STAB). M.: IEEE, 2022. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/STAB54858.2022.9807484.
  13. Kostin G., Gavrikov A. Modeling and Optimal Control of Longitudinal Motions for an Elastic Rod with Distributed Forces // ArXiv. 2022. arXiv:2206.06139 5. P. 1–11. https://doi.org/10.48550/arXiv.2206.06139.
  14. Gavrikov A., Kostin G. Optimal LQR Control for Longitudinal Vibrations of an Elastic Rod Actuated by Distributed and Boundary Forces // Mechanisms and Machine Science. V. 125. Berlin: Springer, 2023. P. 285–295. https://doi.org/10.1007/978-3-031-15758-5_28
  15. Ho L.F. Exact Controllability of the One-dimensional Wave Equation with Locally Distributed Control // SIAM J Control Optim. 1990. V. 28. № 3. P. 733–748.
  16. Bruant I., Coffignal G., Lene F., Verge M. A Methodology for Determination of Piezoelectric Actuator and Sensor Location on Beam Structures // J. Sound and Vibration. 2001. V. 243. № 5. P. 861–882. https://doi.org/10.1006/jsvi.2000.3448
  17. Gupta V., Sharma M., Thakur N. Optimization Criteria for Optimal Placement of Piezoelectric Sensors and Actuators on a Smart Structure: A Technical Review // J. Intelligent Material Systems and Structures. 2010. V. 21. № 12. P. 1227–1243. https://doi.org/10.1177/1045389X10381659
  18. Botta F., Rossi A., Belfiore N.P. A Novel Method to Fully Suppress Single and Bi-modal Excitations Due to the Support Vibration by Means of Piezoelectric Actuators // J. Sound and Vibration. 2021. V. 510. № 13. P. 116260.https://doi.org/10.1016/j.jsv.2021.116260
  19. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 735 с.
  20. Михлин С.Г. Курс математической физики. М.: Наука, 1968. 576 с.
  21. Иосида К. Функциональный анализ. М.: Мир, 1968. 624 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (12KB)
3.

Download (240KB)
4.

Download (33KB)
5.

Download (212KB)
6.

Download (41KB)
7.

Download (215KB)
8.

Download (38KB)
9.

Download (256KB)
10.

Download (313KB)

Copyright (c) 2023 А.А. Гавриков, Г.В. Костин

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».