Kayseri VI. Havacılık Sempozyumu -4 Mayıs 006, NEVŞEHİR AKILLI BİR KİRİŞİN UZAMSAL SİSTEM MODELİNİN ELDE EDİLMESİ (SPATIAL SYSTEM IDENTIFICATION OF A SMART BEAM) Ömer Faruk KIRCALI, e-posta: fkircali@stm.com.tr Melin ŞAHİN e-posta: msahin@metu.edu.tr Yavuz YAMAN e-posta: yyaman@metu.edu.tr Fatih Mutlu KARADAL e-posta: karadal@ae.metu.edu.tr Volkan NALBANTOĞLU e-posta: volkan@ae.metu.edu.tr Fatma Demet ÜLKER 3 e-posta: fdulker@connect.carleton.ca Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü, ODTÜ, ANKARA Savunma Teknolojileri Mühendislik ve Ticaret A.Ş., ANKARA 3 Makine ve Havacılık Mühendisliği Bölümü, CARLETON ÜNİVERSİTESİ, KANADA ÖZET Bu çalışmada, akıllı ir kirişin gürüz (roust) kontrol tasarımına uygun uzamsal (spatial) sistem modelinin elde edilmesi sunulmuştur. Akıllı kiriş ir kenarı tutturulmuş, diğer kenarı serest pasif ir alüminyum kirişten ve unun her iki yüzeyine simetrik olarak yapıştırılmış piezoelektrik yamalardan oluşmuştur. Sistem modelinin elde edilmesi için akıllı kiriş, piezoelektrik yamalar vasıtasıyla uyarılmış ve sistemin cevaı lazer yardımıyla yerdeğiştirme ölçüm cihazı kullanılarak akıllı kiriş oyunca 7 farklı noktadan toplanmıştır. Çalışmanın ilk ölümünde, sistem tanımlama yöntemiyle deneysel verilerden akıllı kirişin ilk eğilme titreşim içimlerini içeren sistem modelleri elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci ölümünde, ölçüm ve uyumlama azlı elirsizlik (uncertainty) değerlerini tahmin etmek için deneysel sistem modelleri ile analitik sistem modelleri frekans düzleminde karşılaştırılmış, modellerinin frekans düzlemindeki cevaplarının eşlenmeleri için sönüm oranları (damping ratio) uyumlanmış, uyumlama sonucundaki genlik değerleri tahmin edilmiştir. Her nokta için deneysel ve analitik sistem modellerinin karşılaştırılmasından sistemin rezonans frekans ve sönüm oranlarındaki elirsizlik değerleri incelenmiştir. I. GİRİŞ Akıllı yapılar dışarıdan uygulanan ir tahriği algılayailen ve una aktif denetim mekanizmaları yardımıyla müdahale edeilen yapılar olarak tanımlanmaktadırlar. Bu yapılar, pasif yapı yüzeyine yapıştırılan ya da içine gömülen irçok aktif parça ve işlemci ağlarından oluşmaktadır. Bu yapılarda, algılayıcı ve uyarıcılar yapının aktif parçalarını oluşturmaktadırlar. Önceki çalışmalarda [], piezoelektrik malzemelerin titreşim düzeylerinin sönümlenmesindeki etkinliği gösterilmiş, akıllı yapıların teorik ve deneysel yöntemler kullanılarak modellenmesi ve denetçi tasarımı ve uygulanması üzerinde Yaman ve arkadaşları [-3], Çalışkan [4], Ülker [5] çeşitli çalışmalar yapmışlardır. II. AKILLI KİRİŞ Çalışmada kullanılan akıllı kiriş, pasif alüminyum kiriş üzerine simetrik olarak yapıştırılmış 8 adet Sensortech BM500 tipindeki 5mmx0mmx0.5mm eatlarındaki piezoelektrik oluşmuştur. Piezoelektrik yamalar uyarıcı olarak görev yaparken, algılayıcı olarak Keyence LB-0(W)LB-300 lazer yardımıyla yerdeğiştirme ölçüm cihazı kullanılmıştır. Analizlerde akıllı kiriş ir kenarı tutturulmuş, diğer kenarı serest olarak incelenmiştir. Şekil. Akıllı kiriş III. DENEY DÜZENEĞİ ve DENEYSEL SİSTEM TANIMLAMA Şekil de çalışmamızda kullandığımız deney düzeneği gösterilmiştir. Deney düzeneği temelde Tek-Girdi-Çok-Çıktı (Single-Input-Multi-Output) ir sistem olarak ele alınailir. Sistemin girdisi piezoelektrik yamaları uyaran voltaj, çıktısı ise lazer yardımıyla yerdeğiştirme ölçüm cihazından toplanan, kirişin ölçüm noktalarındaki yerdeğiştirme değeridir.
Kayseri VI. Havacılık Sempozyumu -4 Mayıs 006, NEVŞEHİR Sistem ilgilendiğimiz frekans aralığında, tek oyutlu ve uzamsal olarak dağıtık ir sistem varsayımıyla incelenmiştir. Bu varsayımla, ilgilendiğimiz frekans aralığındaki tüm titreşim içimleri kirişin eğilme titreşim içimleridir. Elastik yapıların sonlu elemanlar yöntemiyle aktif kontrol amaçlı modellenmelerinin doğru olmayan sonuçlar vereileceği ilindiğinden çoğunlukla deneysel verilerden sistem modeli elde etme yöntemi tercih edilmektedir[6]. Sistem tanımlamada parametrik ve parametrik olmayan teknikler kullanılailir. Parametrik sistem tanımlama tekniğinde sistemin katsayı matrisleri üzerinde ayarlamalar yapılarak frekans cevaplarından elde edilen modellerle deneysel verilerden elde edilenlerin en iyi şekilde eşlenmeleri sağlanır. Parametrik olmayan sistem tanımlama tekniğinde sisteme sinüs dalgası şeklinde uyarı verilir ve sistemin cevaı ölçülür. Sistemin frekans analizi olarak da adlandırılailecek u işlem sayesinde elirli ir frekans aralığında sistemin cevaı hakkında detaylı ilgi sahii olunur. Sistem üzerindeki girdi/çıktı ilişkisinden sistemin aktarım işlevi (transfer function) elde edilir [7]. Elde edilen u gürültülü aktarım işlevine düzleme (smoothing) uygulanır ve sonuçta çıkan daha düzgün aktarım işlevi üzerine en küçük kareler (least square) yöntemi kullanılarak eğri oturtulur ve sistemin aktarım işlevi elde edilir. Şekil 3 te örnekleri verilen, kiriş oyunca eşit aralıklarla 7 farklı noktadan elde edilen sistem cevapları ve Şekil 4 te gösterilen uyarıcı kuvvet kullanılarak sistem tanımlama tekniğiyle akıllı kirişin her noktadan, ilk iki eğilme titreşim içimlerini içeren deneysel frekans cevapları elde edilmiştir. Şekil 5 te de örnek frekans cevapları gösterilmiştir. Şekillerde r ölçüm yapılan farklı noktaların akıllı kiriş oyunca(l ) yerlerini tanımlamaktadır. a) r=0.9899l ) r=0.39 L Şekil 3. Örnek sistem cevapları Şekil. Deney düzeneği
Kayseri VI. Havacılık Sempozyumu -4 Mayıs 006, NEVŞEHİR analitik olarak modellenen akıllı kirişin, ilk eğilme titreşim içimini içeren iyileştirilmiş sistem modelinin uzamsal ifadesi aşağıdaki şekildedir: [ ] C N pφi (r) φi (r ) φi (r ) G(s) = + φ (r)k 3 { ρ AL } ( s + iω is + ωi ) i= i= 3 c i ri...() Akıllı kirişin özfonksiyonları (mode shapes), φ i değerleri, yerine aynı sınır durumlarına sahip, enzer ir pasif kirişin özfonksiyonları varsayılmıştır. Şekil 4. Uygulanan kuvvet φ i (r) = L (cosh βr cos βr α(sinh βr sin βr))...() ve, cosh β L + cosβl α=...(3) sin h β L + sin β L a) r=0.9899l V. DENEYSEL SİSTEM MODELİ ile ANALİTİK MODELİN KARŞILAŞTIRILMASI Bilindiği gii akıllı kirişin rezonans frekansları ve modal sönümleme değerleri tüm kiriş için tektir. Yani, sistem modeli elde edilirken hangi noktadan ölçüm yapılırsa yapılsın u parametreler değişmez. Bu seeple deneysel olarak yaptığımız ölçümlerden herhangi irisi kullanılarak elde edilen rezonans frekansları ve modal sönümleme değerleri, diğer tüm noktalar için sistem modeli oluşturulmasında kullanılailir. Analitik modelin deneysel modelle örtüşmesi gerektiği ilinerek, sönümleme değerleri, iki modelin frekans düzlemindeki maksimum değerleri eşlenene kadar uyumlanmıştır. Elde edilen rezonans frekansları ve modal sönümleme değerleri kullanılarak diğer tüm noktalar için deneysel ve analitik modeller frekans düzleminde karşılaştırılmıştır. Çeşitli ölçüm noktalarından elde edilen deneysel sistem modelleri ile aynı noktalar için uyumlama sonucundaki analitik sistem modelleri Şekil 6 da gösterilmiştir. ) r=0.5040l Şekil 5. Örnek frekans cevapları IV. AKILLI KİRİŞİN ANALİTİK MODELİ Akıllı kirişin analitik olarak sistem modelinin elde edilmesi, Akıllı Bir Kirişin Varsayılan Biçimler Metodu ile Uzamsal Sistem Modelinin Elde Edilmesi ve Elde Edilen Modelin İyileştirilmesi adlı ir önceki çalışmamızda detaylı ir şekilde anlatılmıştır. Varsayılan Biçimler metodu [8] kullanılarak
Kayseri VI. Havacılık Sempozyumu -4 Mayıs 006, NEVŞEHİR a) r=0.9899l Şekil 7. Kirişin ilk iki içim şekli ) r=0.5040l Şekil 6. Deneysel ve analitik frekans cevapları Her nokta için modal sönümleme değerleri, o noktaya ait deneysel model kullanılarak, tekrar uyumlanıp iyileştirilmiş ve elde edilen sistem modellerinden sistemin genlik değerleri tahmin edilmiştir. Ölçüm noktalarındaki genlik değerlerinden aradeğerlendirme (interpolation) yardımıyla kiriş üzerindeki herhangi ir noktanın genlik değeri tahmin edilmiş ve elde edilen u genlik değerleri kirişin uç noktasına göre normalize edilerek ilk iki içim şekli Şekil 7 te gösterilmiştir. Deneysel olarak elde edilen u içim şekillerinin aynı konfigürasyondaki pasif kiriş için ilinen analitik titreşim içimlerine enzediği gözlemlenmiştir. VI. BELİRSİZLİK DEĞERLERİ Her noktadaki deneysel ölçümden elde edilen rezonans frekansları ve deneysel ve analitik modellerin karşılaştırılmasından elde edilen modal sönümleme değerleri Talo de gösterilmiştir. Tutturulmuş kenara en yakın iki noktanın yerdeğiştirmelerinin çok düşük genlikli olmasından dolayı u yerdeğiştirmelerin lazer yardımıyla yerdeğiştirme ölçüm cihazı tarafından algılanması oldukça güç olmuştur. Talo. İlk rezonans frekansı ve sönümleme oranı değerleri r/l 0.9899 6.88 4.546 0.03 0.007 0.99 6.633 4.33 0.04 0.007 0.8684 6.67 4.486 0.04 0.006 0.8076 6.67 4.9 0.03 0.007 0.7470 6.630 4.3 0.03 0.007 0.686 6.875 4.506 0.04 0.007 0.655 6.67 4.546 0.06 0.007 0.5648 6.637 4.350 0.04 0.006 0.5040 6.869 4. 0.0 0.007 0.4433 6.64 4.56 0.04 0.006 0.386 6.67 4.546 0.04 0.007 0.38 6.67 4.546 0.03 0.008 0.6 6.87 4.486 0.05 0.008 0.004 6.633 4.33 0.09 0.008 0.396 6.67 4.546 0.06 0.008 0.0790 6.879 4.07 0.08 0.03 0.08 6.637 4.350 0.030 0.7 Aynı zamanda sisteme etki eden gürültü u ölçümlerin sonuçlarının sağlıklı olmamasına yol açmıştır. Talo de de görüleceği gii r=0.0790l ve r=0.08l ölçüm noktaları gözönüne alınarak yapılan analiz sonucu elde edilen sönümleme oranları diğer tüm sonuçlarla tutarsızdır. Bu yüzden u iki noktadan elde edilen sönümleme oranı değerleri dışarıda ırakılarak, çoklu noktalardan ölçümle elde edilen ilk iki rezonans frekans ve sönümleme oranı değerlerinin ortalama değerleri sistemin değerleri olarak kaul edilmiş ve Şekil 8 de grafiksel olarak
Kayseri VI. Havacılık Sempozyumu -4 Mayıs 006, NEVŞEHİR gösterilmiştir. Ortalama değerler ve standart sapmaları Talo de verilmiştir. 6.9 6.85 6.8 6.75 6.7 6.65. rezonans frekansi 6.6 0 0. 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 r/l. rezonans frekansi 4.8 4.6 4.4 4. 0.03 0.08 0.06 0.04 0.0 4 0 0. 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 r/l 0.03 a) ω ve ω 0.0 0. 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 r/l 9 x 0-3. modal sönümleme degeri 8 7 6. modal sönümleme degeri 5 0. 0. 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 r/l ) ve Şekil 8. İlk iki rezonans frekansları ve sönümleme oranları ortalama grafikleri Talo. İlk iki rezonans frekansı ve sönümleme oranı ortalama değerleri ve standart sapmaları Ortalama 6.70 4.407 0.05 0.007 Standart Sapma 0.6 0.5 0.003 0.00 elirsizlikler sönümleme oranlarının tespitinde yanlış sonuçlar elde edilmesine yol açailmektedir. Bu çalışmada çok noktadan ölçümler toplayarak hem sistemin uzamsal doğası hakkında hem de ölçümlerden kaynaklı elirsizlikler hakkında daha kesin ilgi elde edileileceği gösterilmiştir. VIII. KAYNAKLAR [] Crawley, E. F., Louis, J., Use of Piezoelectric Actuators as Elements of Intelligent Structures, AIAA Journal, Octoer 989. [] Yaman, Y., Çalışkan, T., Nalantoğlu V., Waechter, D. Prasad, E., Active Viration Control of a Smart Beam, Proceedings, Canada- US CanSmart Workshop, Smart Materials and Structures, Montreal, Queec, Canada, Oct. 00. [3] Yaman, Y., Ülker, F., D., Nalantoğlu, V., Çalışkan, T., Prasad, E., Waechter, D., Yan, B., Application of H Active Viration Control Strategy in Smart Structures, AED003, 3rd International Conference on Advanced Engineering Design, Prague, Czech Repulic, June, 003. [4] Çalışkan, T., Piezoelectric Ceramics and Their Application in Aerospace Structures, Ph.D. Thesis, Middle East Technical University, Septemer, 00. [5] Ülker, F. D., Active Viration Control of Smart Structures, MSc Thesis, Middle East Technical University, Septemer, 003. [6] Nalantoglu, V., Roust Control and System Identification for Flexile Structures, PhD Thesis, University of Minnesota, July 998 [7] Ljung, L., System Identification: Theory for the User, Prentice-Hall, 987. [8] Meirovitch, L.,Analytical Methods in Virations, The MacMillan Company, 967. Sistemin rezonans frekanslarının ve sönümleme oranlarının tespitinde çok noktadan elde edilen değerlerin ortalaması kullanıldıgından u degerler hakkında daha doğru ilgi elde edilmiştir. VII. SONUÇLAR Deneysel çalışmalarda tek noktadan ölçümle sistem modeli elde edilmesi sırasında sistemin uzamsal doğası hakkında kesin ilgi elde edilememektedir. Aynı zamanda ölçüm noktasının sistemin ilgilenilen titreşim içimlerinden herhangi irisi için düğüm noktası olması riski veya ölçümden kaynaklı