Ανάπτυξη ενός "Συστήματος Τεχνητής Νοημοσύνης" ενεργού ελέγχου δονήσεων και θορύβου με τη χρήση ενός τεχνητού νευρωνικού δικτύου και ενός γενετικού αλγόριθμου

Abstract

It is generally approved that noise is created by vibrating surfaces. In order to tackle this phenomenon at its source, mainly two approaches have been followed. The first approach involves passive means that is sound insulation materials that dampen certain frequencies. The second approach involves the use of active means. The active means are arrangements that consist of a control system and a set of sensors and actuators. The application of such an arrangement for vibration control is called Active Vibration Control (AVC) and is based on the sampling (by means of sensors) of the primary field of vibration of the surface, the creation of control signals by the controller (secondary field - of the same amplitude but with phase difference of 180°) and finally applying these control signals on the vibrating surface, by means of the actuators. The superimposing of the two vibration signals (primary and secondary) results to a residual field where the amplitudes of vibration are significantly lower than in the primary. The objective of the thesis at hand is to develop a Generic AVC with the controller developed using Artificial Intelligence tools such as the Artificial Neural Networks (ANNs) and Genetic Algorithms (GAs), in order to identify the vibration patterns of any surface and the optimal control of its vibration, without any prior knowledge of the dynamic behavior of the surface. Moreover, the developed AVC system will be able to identify and control four dominating frequencies instead of one that is usually the choice in the majority of similar applications. The scope of this work is the ‘Proof of Concept’ of the successful operation of such a generic AVC system. The approach to this end includes experimental testing of a prototype AVC system on a simplified experimental set-up. The results of the application of the developed AVC system, performed also by independent parties in the framework of a EC-funded Basic Research project, prove the successful operation of the developed AVCS, even within the limitation of the contemporary data acquisition platform (hardware and software) used, imposes limitations in the efficiency of the AVCS, and provide the basis for its further development and application in a multitude of problems.

Είναι ευρύτατα γνωστό ότι ο θόρυβος δηµιουργείται από δονούµενες επιφάνειες. Για την αντιµετώπιση του θορύβου στην πηγή του, δηλαδή τη δονούµενη επιφάνεια, δύο κυρίως τρόποι έχουν αναπτυχθεί. Ο πρώτος τρόπος αφορά τη χρησιµοποίηση παθητικών µέσων, δηλαδή ηχοµονωτικών υλικών, ειδικών συντονιστών που αποσβένουν συγκεκριμένες συχνότητες, καθώς και διατάξεις που αυξάνουν την δυσκαµπτότητα της κατασκευής. Ο δεύτερος τρόπος αφορά στη χρησιµοποίηση ενεργητικών µέσων. Τα ενεργητικά µέσα είναι πολύπλοκες διατάξεις που αποτελούνται από ένα σύστηµα ελέγχου και ένα σύνολο αισθητήρων και ενεργοποιητών. Η λειτουργία ενός τέτοιου Συστήµατος Ενεργού Ελέγχου ∆ονήσεων (ΣΕΕ∆) βασίζεται στην καταγραφή µέσω των αισθητήρων του τρόπου δόνησης της επιφάνειας (πρωτεύον πεδίο δόνησης), την δηµιουργία σηµάτων ελέγχου από τον ελεγκτή (σήµατα ίδιου πλάτους και συχνότητας, αλλά µε διαφορά φάσης 180° ) και την αποστολή τους στους ενεργοποιητές που θα δηµιουργήσουν ένα δευτερεύον πεδίο δόνησης. Η υπέρθεση των δύο πεδίων (πρωτεύοντος και δευτερεύοντος) έχει σαν αποτέλεσµα την δηµιουργία ενός υπόλοιπου (εναποµείναντος) πεδίου µε πλάτη δόνησης αισθητά χαµηλότερα από αυτά του πρωτεύοντος στη (στις) συχνότητα (ες) ελέγχου. Στην ιδανική περίπτωση, το αποτέλεσµα της υπέρθεσης των σηµάτων και των αντισηµάτων είναι ένα πεδίο µε µηδενικό πλάτος. Και οι δύο µέθοδοι παρουσιάζουν πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα ανάλογα µε το εκάστοτε πρόβληµα. Εν γένει, τα παθητικά µέσα χρησιµοποιούνται για υψηλές κυρίως συχνότητες (> 500 Hz). Σε περιπτώσεις όµως που το µέγεθος ή το βάρος της κατασκευής είναι ένας περιοριστικός παράγοντας, τα παθητικά µέσα αποτυγχάνουν. Απ’ την άλλη πλευρά, τα ενεργά µέσα είναι ιδιαίτερα αποτελεσµατικά στις χαµηλές και µέσες συχνότητες (0 – 500 Hz) και αποδίδουν τα µέγιστα όταν η προς έλεγχο δόνηση είναι ένα ηµιτονοειδές κύµα µιας συχνότητας. Όσο όµως ανεβαίνει ο αριθµός των συχνοτήτων προς έλεγχο, τότε η υλοποίηση της ενεργητικής µεθόδου είναι αντίστοιχα πιο πολύπλοκη, όπως επίσης και οι απαιτήσεις σε hardware. Το αντικείµενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός γενικευµένου ΣΕΕ∆ µε απώτερο σκοπό τη µείωση του θορύβου που δηµιουργείται από µια δονούµενη επιφάνεια. Η πλατφόρµα ανάπτυξης του υπό µελέτη ΣΕΕ∆ είναι ένας σύγχρονος Ηλεκτρονικός Υπολογιστής (Η/Υ) και χρησιµοποιούνται εργαλεία Τεχνητής Νοηµοσύνης όπως τα Τεχνητά Νευρωνικά ∆ίκτυα και οι Γενετικοί Αλγόριθµοι για την αναγνώριση του τρόπου δόνησης οποιασδήποτε επιφάνειας και το βέλτιστο έλεγχο της δόνησής της, χωρίς να απαιτείται καµία πρότερη γνώση της δυναµικής συµπεριφοράς της επιφάνειας. Επιπλέον, το υπό µελέτη ΣΕΕ∆ είναι ικανό να ελέγχει τέσσερις ανεπιθύµητες συχνότητες αντί µιας. Σηµαντική παράµετρος στο εν λόγω ΣΕΕ∆ είναι η απλοποιηµένη λειτουργία του, αφού για την χρήση του: - ο χειριστής δεν απαιτείται να έχει γνώσεις µηχανικού ή άλλες εξειδικευµένες γνώσεις (π.χ. γνώσεις χειρισµού Η/Υ ή προγραμματισμού), - για την εφαρµογή του δεν απαιτείται να είναι γνωστές εκ των προτέρων οι συχνότητες προς έλεγχο, δηλαδή οι συχνότητες που οδηγούν στο µμεγαλύτερο πλάτος δόνησης, - και τέλος δεν απαιτείται να είναι γνωστά εκ των προτέρων τα χαρακτηριστικά της δονούµενης επιφάνειας ή η δυναµική συµπεριφορά της. Ο σκοπός της διατριβής αυτής είναι η απόδειξη της αρχής λειτουργίας µιας τέτοιας προσέγγισης, κάτι που επιβεβαιώθηκε από τα πειράµατα που πραγµατοποιήθηκαν από το πρωτότυπο ΣΕΕ∆ που αναπτύχθηκε. Για τα πειράµατα αυτά χρησιμοποιήθηκε µια όσο το δυνατόν πιο γενικευµένη πειραµατική διάταξη αποτελούµενη από µια επίπεδη πλάκα αλουµινίου η οποία δονούταν ενεργοποιούµενη από ένα υπογούφερ (ηχείο ειδικά σχεδιασµένο για χαµηλές συχνότητες, στην περιοχή 45-125 Hz) που εξέπεµπε λευκό θόρυβο. Ο λευκός θόρυβος είναι ένα τυχαίο ηχητικό σήµα που χαρακτηρίζεται από το ίδιο επίπεδο ενέργειας ανεξαρτήτως συχνότητας ή µπάντας συχνοτήτων, κατ’ αντιστοιχία µε το λευκό φως που έχει την ίδια ιδιότητα. Τα αποτελέσµατα από την εφαρµογή του εν λόγω ΣΕΕ∆ δείχνουν ότι παρά τους περιορισµούς που υπεισέρχονται λόγω των δυνατοτήτων του υλικού (hardware) του χρησιµοποιούµενου εξοπλισµού, το υπό µελέτη ΣΕΕ∆ λειτουργεί επιτυχώς στη βασική αρχή του, ενώ έχει τις προϋποθέσεις και τη δυναµική για περαιτέρω βελτιστοποίηση και εξέλιξη σε ένα ευρύ φάσµα εφαρµογών.