ACTIVE VIBRATION CONTROL OF A ROTATING FLEXIBLE LINK USING FUZZY LOGIC

Abstract

This research is about active vibration control of flexible structures. Many machine elements are overdesigned to be very rigid to avoid any damaging structural vibrations, but for certain machines like industrial robots, this overdesign often leads to heavy elements requiring more powerful motors at the joints. The overall weight becomes even more important when these structures are to be used in space or aviation applications. Such structures include the Space Station Remote Manipulation System (SSRMS), and the rotor blades in rotary wings to name a few. Structural vibration within these structures can cause unwanted results during use. For the Space-Station Remote Manipulator System high precision is crucial and in helicopter tail rotors vibration can be at best uncomfortable for the occupants and at worst dangerous. One way to reduce the weight of these structures and at the same time reduce any excessive structural vibration is through Active Vibration Control.

The objective of this research is to contribute to the area of Active Vibration Control of flexible structures through the design and implementation of an Active Vibration Control system to control the tip deflection of a single, flexible link on a rotating base. The proposed Active Vibration Control method is based on the theory of Fuzzy Logic. The Fuzzy Logic based controller has two inputs; the angular position error of the base angle and the end-point deflection. The first four modes of vibration were analyzed. The main advantage of the Fuzzy Logic Controller is its non-dependence on the dynamic model of the system under control.

The Fuzzy Logic Controller was tested using two models from MATLAB Simulink and MATLAB Simscape as well as experimentally. Using the MATLAB Simulink model, the Fuzzy Logic Controller was able to reduce the link’s maximum tip deflection by 42.64% with a π/32 desired angular position and was able to reduce the vibration in the link to less than 5 mm 17.99% faster than the link under proportional control and using the MATLAB Simscape model, the Fuzzy Logic Controller was able to reduce the link’s maximum tip deflection by 61.64% with a π/2 desired angular position.

In the experimental verification, the vibration of the link was able to be reduced by up to 85.73%. This controller was then able to be applied to a second link with different dimensions without creating a model of the system and showed up to an 81.65% reduction in tip deflection with no steady-state error compared with a proportional controller’s 0.0031 to 0.0092 rad steady state error.

Cette recherche porte sur le commande active des vibrations dans les structures flexibles. De nombreux éléments de machine sont surdimensionnés pour être très rigides afin d’éviter les vibrations structurelles dommageables, mais pour certaines machines comme les robots industriels, cette surconception conduit souvent à des éléments lourds nécessitant des moteurs plus puissants au niveau des articulations. Le poids total devient encore plus important lorsque ces structures doivent être utilisées dans des applications spatiales or aéronautiques. Ces structures comprennent le Télémanipulateur (SSRMS en anglais, pour Space Station Remote Manipulator System) et les pales de rotor des voilures tournantes, pour n’en nommer que quelques-unes. Les vibrations au sein de ces structures spatiales peuvent entraîner des résultats indésirables lors de l’utilisation. Pour le télémanipulateur SSRMS une haute précision est cruciale et les rotors d’un hélicoptère, les vibrations peuvent être au mieux inconfortables pour les occupants et au pire dangereuses. Une façon de réduire le poids de ces structures et en même temps réduire toute vibration structurelle excessive consiste à utiliser une commande active des vibrations.

L’objectif de cette recherche est de contribuer au domaine de commande active des vibrations des structures flexibles à travers la conception et la mise en œuvre d’un système de commande pour contrôler la position de l’extrémité d’une membrure flexible sur une base rotative. La méthode proposée pour la commande active des vibrations est basée sur la théorie de la logique floue. Le contrôleur basé sur la logique floue a deux entrées; l’erreur de position angulaire de l’angle de base et la déviation du point final. Le principal avantage de la commande par logique floue est sa non-dépendance au modèle dynamique du système sous contrôle.

Le correcteur à logique floue a été vérifié à l’aide de deux modèles de MATLAB Simulink et MATLAB Simscape ainsi qu’expérimentalement. À l’aide du modèle MATLAB Simulink, le correcteur à logique floue a pu réduire la déflexion maximale de la pointe de la membrure flexible de 42,64% avec une position angulaire souhaitée de π/32 et a pu réduire la vibration dans la membrure flexible à moins de 5 mm 17,99% plus rapide que la membrure flexible sous commande proportionnel et en utilisant le modèle MATLAB Simscape, le correcteur de logique floue a pu réduire la déviation maximale de la pointe de la membrure flexible de 61,64% avec une position angulaire souhaitée de π/2.

Lors de la vérification expérimentale, la vibration de la membrure flexible a pu être réduite jusqu’à 85,73%. Ce correcteur a ensuite pu être appliqué à une deuxième membrure flexible de dimensions différentes sans créer de modèle du système et a montré jusqu’à 81,65% de réduction de la déviation de la pointe sans erreur en régime permanent par rapport aux 0,0031 à 0,0092 radians d’erreur en régime permanent d’un correcteur proportionnel.