Optimal design of smart structures with intelligent control

Abstract

In the present dissertation different models of smart multilayer composite structures such as beams and plates with sensors and actuators of piezoelectric materials are studied under dynamic external loadings. The discretization of the host structures is made by using the finite element method. The first purpose of this dissertation is the development of reliable control systems and their connection with numerical integration algorithms for the study of dynamic systems. For the development of the controllers using fuzzy inference tools and artificial neural networks are used. In the smart structures which are considered here, a significant degree of uncertainty, due to imperfections and errors of both the control mechanisms and the model itself, is always involved. Especially in multilayer structures, several failures, such as delamination between the different layers, fatigue or other damages, may appear. Thus, the second purpose of the present study is the implementation of suitably defined robust controllers which should be able to function well, despite the existence of failures and errors not only in the controllers’ components (sensors, inadequate measurements), but in the mechanical model itself (simplifications of the theory, imperfections, material fatigue). For the investigation of these phenomena, as well as for the minimization of the errors mentioned above, a generalization of the classical theories in order to include the energy losses in the various layers with adhesives is attempted. With regard to control, classic monitoring tools often encounter several limitations to the study of such problems. For this reason, the use of intelligent fuzzy and neuro-fuzzy control techniques is suggested. Indeed, to maximize the efficiency of the proposed controllers, their characteristics are fine-tuned using global optimization algorithms. More specifically, the controllers are first designed and subsequently they are subjected to an optimization process, by using either adaptive neural fuzzy techniques or global optimization. As a by-product of this work, an exemplary application of the field of micromechanical coordinators for energy harvesting is presented.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετώνται μοντέλα σύνθετων ευφυών πολύφυλλων κατασκευών όπως δοκοί και πλάκες με αισθητήρες και διεγέρτες από πιεζοηλεκτρικά υλικά υπό την επίδραση δυναμικών εξωτερικών φορτίσεων. Η διακριτοποίηση των φορέων γίνεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Πρώτος στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη αξιόπιστων συστημάτων ελέγχου και η σύνδεσή τους με αλγορίθμους αριθμητικής ολοκλήρωσης για τη μελέτη δυναμικών συστημάτων. Για την κατασκευή των ελεγκτών γίνεται χρήση εργαλείων ασαφούς συνεπαγωγής και τεχνητών νευρωνικών δικτύων. Στις κατασκευές που μελετώνται υπεισέρχεται πάντοτε κάποιος σημαντικός βαθμός αβεβαιότητας λόγω ατελειών και σφαλμάτων τόσο των ελεγκτών όσο και του ίδιου του μοντέλου. Ειδικά στις πολυστρωματικές κατασκευές, διάφορες αστοχίες, όπως για παράδειγμα η αποκόλληση μεταξύ των διαφόρων στρωμάτων, κόπωση ή άλλες βλάβες μπορούν να εμφανιστούν και τροποποιούν το μηχανικό μοντέλο κατά τη διάρκεια της ζωής του. Συνεπώς, δεύτερος στόχος της διατριβής είναι η δημιουργία κατάλληλου εύρωστου ελεγκτή ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει παρά την ύπαρξη ατελειών και σφαλμάτων τόσο στα στοιχεία του ελεγκτή (αισθητήρες, ελλιπείς μετρήσεις) όσο και του ίδιου του μοντέλου (απλοποιήσεις της θεωρίας, ατέλειες, κόπωση υλικού). Για την μελέτη των φαινομένων αυτών, καθώς και για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων που προαναφέρθηκαν, επιχειρείται μία γενίκευση των κλασικών θεωριών, προκειμένου να συμπεριληφθούν οι απώλειες ενέργειας στα διάφορα στρώματα με τα συγκολλητικά υλικά. Όσον αφορά στον έλεγχο, τα εργαλεία κλασικού ελέγχου συχνά συναντούν αρκετούς περιορισμούς στη μελέτη τέτοιων προβλημάτων. Για το λόγο αυτό προτείνεται η χρήση ευφυών ασαφών και νευροασαφών διατάξεων. Μάλιστα για την μεγιστοποίηση της αποδοτικότητας των προτεινόμενων ελεγκτών, τα χαρακτηριστικά τους ρυθμίζονται με χρήση αλγορίθμων ολικής βελτιστοποίησης. Πιο συγκεκριμένα, οι ελεγκτές αρχικά σχεδιάζονται και υπόκεινται σε διαδικασία βελτιστοποίησης τόσο με χρήση νευροασαφών συστημάτων, όσο και εργαλείων ολικής βελτιστοποίησης. Ως παράπλευρο αποτέλεσμα, παρουσιάζεται κάποια ενδεικτική εφαρμογή από το πεδίο των μικρομηχανικών συντονιστών για την μάστευση ενέργειας.