The linear parameter-varying framework for active vibration control of elastic kinetic structures
Linear parameter-veränderliche Methoden zur aktiven Schwingungskontrolle von elastisch-kinetischen Strukturen
- Lightweight design is essential for preserving resources, and in addition, transformability can be beneficial for specific applications where multi-functionality is required. Multi-functionality contributes to saving resources by allowing multiple purposes to be served effectively and by allowing adaptation to changing needs. Elastic kinetics are a recent approach to design transformable lightweight structures with a stable transformation process, realized by elastic bending of structural members. Their lightweight and flexible design comes at the cost of increased sensitivity to static and dynamic disturbances. However, most of the current research concentrates on transformation principles instead of on disturbance mitigation. This research focuses on dynamic disturbance mitigation for transformable lightweight structures based on elastic kinetics using active control. The dynamic behavior of such structures is transformation state dependent due to geometric nonlinearities, which is not easily captured by linear time-invariantLightweight design is essential for preserving resources, and in addition, transformability can be beneficial for specific applications where multi-functionality is required. Multi-functionality contributes to saving resources by allowing multiple purposes to be served effectively and by allowing adaptation to changing needs. Elastic kinetics are a recent approach to design transformable lightweight structures with a stable transformation process, realized by elastic bending of structural members. Their lightweight and flexible design comes at the cost of increased sensitivity to static and dynamic disturbances. However, most of the current research concentrates on transformation principles instead of on disturbance mitigation. This research focuses on dynamic disturbance mitigation for transformable lightweight structures based on elastic kinetics using active control. The dynamic behavior of such structures is transformation state dependent due to geometric nonlinearities, which is not easily captured by linear time-invariant methods. For this reason, modeling and control design are performed in the linear parameter-varying (LPV) framework. Thereby, two distinct LPV modeling methodologies are investigated, one based on finite element models and another utilizing experimental system identification techniques. Furthermore, LPV control strategies are introduced, which allow to adapt to the varying structural dynamics encountered in elastic kinetics. To validate the efficacy of the modeling and control approaches, a physical demonstrator resembling a segment of an elastic kinetic roof structure is realized within a laboratory environment. This demonstrator structure is used for experimental studies to assess the accuracy and performance of the introduced methods. Utilizing experimental data from the demonstrator structure, a proposed LPV system identification methodology can be applied to derive separate LPV models for the bending and the torsional dynamics of the demonstrator structure. Based on the derived LPV models, a decoupled active vibration control for bending and torsional dynamics by means of an LPV output-feedback is designed. The designed control is implemented on a real-time environment, and its effectiveness is demonstrated experimentally for fixed and for varying operating conditions on the realized demonstrator structure.…


- Leichtbaukonzepte sind entscheidend für das Einsparen von Ressourcen. Darüber hinaus können transformierbare Strukturen einen wichtigen Beitrag für spezifische Anwendungen leisten, bei denen Multifunktionalität gefragt ist. Multifunktionalität erlaubt die Anpassung an veränderliche Anforderungen sowie die Erfüllung vielfältiger Einsatzzwecke und trägt damit zur Einsparung von Ressourcen bei. Ein neuer Ansatz zur Gestaltung transformierbarer Leichtbaustrukturen mit einem stabilen Transformationsprozess basiert auf der elastischen Biegung der Elemente der Tragstruktur (engl. elastic kinetics). Diese Bauweise, leicht und nachgiebig, geht jedoch auf Kosten einer erhöhten Sensibilität gegenüber statischen und dynamischen Lasten. Die aktuelle Forschung bezüglich solcher elastisch transformierbaren Leichtbaustrukturen konzentriert sich jedoch primär auf die Prinzipien der Transformation und vernachlässigt dabei zumeist die Sensibilität gegenüber externen Lasten. Diese Arbeit konzentriert sich im Gegensatz dazu auf die dynamische Adaption fürLeichtbaukonzepte sind entscheidend für das Einsparen von Ressourcen. Darüber hinaus können transformierbare Strukturen einen wichtigen Beitrag für spezifische Anwendungen leisten, bei denen Multifunktionalität gefragt ist. Multifunktionalität erlaubt die Anpassung an veränderliche Anforderungen sowie die Erfüllung vielfältiger Einsatzzwecke und trägt damit zur Einsparung von Ressourcen bei. Ein neuer Ansatz zur Gestaltung transformierbarer Leichtbaustrukturen mit einem stabilen Transformationsprozess basiert auf der elastischen Biegung der Elemente der Tragstruktur (engl. elastic kinetics). Diese Bauweise, leicht und nachgiebig, geht jedoch auf Kosten einer erhöhten Sensibilität gegenüber statischen und dynamischen Lasten. Die aktuelle Forschung bezüglich solcher elastisch transformierbaren Leichtbaustrukturen konzentriert sich jedoch primär auf die Prinzipien der Transformation und vernachlässigt dabei zumeist die Sensibilität gegenüber externen Lasten. Diese Arbeit konzentriert sich im Gegensatz dazu auf die dynamische Adaption für elastisch transformierbare Leichtbaustrukturen unter Verwendung aktiver Regelungsalgorithmen. Das dynamische Verhalten solcher Strukturen ist aufgrund geometrischer Nichtlinearitäten abhängig vom aktuellen Transformationszustand. Ein solches Verhalten lässt sich nicht ohne weiteres mit den klassischen linearen zeitinvarianten Modellen beschreiben. Stattdessen werden in dieser Arbeit zur Modellierung und zum Reglerentwurf Methoden der linearen parameter-veränderlichen (LPV) Systeme verwendet. Dabei werden zwei unterschiedliche LPV Modellierungsansätze untersucht, ein erster Ansatz basierend auf Finite-Elemente-Modellen und ein zweiter Ansatz auf Basis experimenteller Systemidentifikation. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit LPV Regelungsansätze vorgestellt, die in der Lage sind, gezielt auf die sich ändernde Dynamik elastisch transformierbarer Strukturen zu reagieren. Zur Bewertung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Modellierungs- und Regelungsansätze wird ein Demonstrator einer wandelbaren Dachstruktur in einer Laborumgebung realisiert. Auf Basis experimenteller Daten des Demonstrators kann eine vorgeschlagene Methode zur Systemidentifikation von LPV Modellen angewendet und getestet werden. Basierend auf den so abgeleiteten LPV Modellen wird eine entkoppelte aktive Schwingungskontrolle für die Biege- und Torsionseigenformen mittels einer LPV Ausgangsrückführung entworfen. Die entworfenen LPV Regler werden auf einem Echtzeitsystem implementiert, und die Wirksamkeit dieser wird für feste und veränderliche Transformationszustände am Demonstrator experimentell nachgewiesen.…


| Author: | Robert JirasekORCiD |
|---|---|
| URN: | urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67698 |
| DOI: | https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6769 |
| ISSN: | 2569-2798 |
| Series (Serial Number): | Schriftenreihe Hybride Konstruktionen - Massivbau (18) |
| Referee / Advisor: | Achim Bleicher, Oliver SawodnyORCiD, Tomonori NagayamaORCiD |
| Document Type: | Doctoral thesis |
| Language: | English |
| Year of Completion: | 2024 |
| Date of final exam: | 2024/04/19 |
| Release Date: | 2024/08/06 |
| Tag: | Adaptivität; Aktive Schwingungskontrolle; Aktive Tragwerke; Experimentelle Systemidentifikation; Lineare Parameter-veränderliche Systeme Active structures; Active vibration control; Adaptive structures; Experimental system identification; Linear parameter-varying systems |
| GND Keyword: | Leichtbau; Multifunktionalität; Tragwerk; Flexibilität; Schwingungsbelastung; Dynamisches Verhalten; Finite-Elemente-Methode; Systemidentifikation |
| Institutes: | Fakultät 6 Architektur, Bauingenieurwesen und Stadtplanung / FG Hybride Konstruktionen - Massivbau |
| Licence (German): | Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International |



