Application of actuator dynamics inversion techniques to active vibration control systems and shake table testing
Authors:   , Ramírez Senent José 
Published: August 2024

Excessive vibrations problems usually arise in lightweight structures subjected to human actions. The active vibration absorber constitutes an effective solution to mitigate these issues. Nevertheless, the dynamics of the actuators employed in such devices play a detrimental role on the overall system performance and stability. Furthermore, the commissioning stage usually entails an intricated tuning process; consequently, adequate laboratory testing techniques imply significant cost savings. Real-time hybrid simulation setups with integrated shake tables represent an effective testing means for vibration absorbers. Unfortunately, shake tables are usually driven by hydraulic actuators which feature a marked non-linear behavior, and the usage of the standard control systems feature is seriously hindered by their iterative nature and their inability to tackle references which change during the test.

Control techniques able to compensate the actuator dynamics in real time would be undoubtedly useful for their application in the previous control problems. Therefore, this work focuses on the development of actuator dynamics inversion schemes for active vibration absorbers and hydraulic shake tables.

Dynamic inversion techniques have been applied to the force control of electromagnetic proof-mass actuators employed in active vibration absorbers. The devised scheme has been incorporated in the well-known Direct Velocity Feedback, leading to the Velocity Feedback with Dynamics Inversion algorithm. Additionally, the novel Broadband Force Cancellation algorithm has been proposed, with an aim to mitigate vibrations in a wide frequency range, through a process of external forces estimation and cancellation. These inversion techniques may also be used to enhance the performance of any force-based control algorithm. The suggested methods have been assessed via numerical and experimental tests carried over a composite material footbridge. The experimental results show that a significant force tracking improvement is attained. The Velocity Feedback with Dynamics Inversion algorithm clearly outperforms the classical scheme and shows potential for better comparative performance in structures with lower resonant frequencies. The Broadband Force Cancellation algorithm outcomes are better at high frequencies than those obtained with the velocity feedback schemes; however, its behavior at low frequencies is not as good as expected due to structural modeling errors.

Moreover, the application of dynamics inversion to the motion control of servohydraulic uniaxial shake tables has led to two novel control methods which have been numerically assessed. The first method allows for the application on the actuator piston of an arbitrary pressure force time derivative, which is calculated through a system impedance function identification procedure. The performance of this algorithm is considerably better than that of the standard iterative approach, since the hydraulics-related non-linearities are approximately cancelled; however, a system identification is required, and it is not suitable for hybrid simulation, being more indicated for the upgradation of already existing control systems.

The second method is based on the inversion of a linear state-space model of the servoactuator driving the table. The model inputs are the control command and the force exerted on the actuator by the table assembly and the output is the rod acceleration. A notable acceleration tracking is achieved regardless of the specimen under test, greatly improving the iterative algorithm performance. The proposed method does not require iterations, is independent of the payload behavior and is able to reproduce references which change during the test, thus being promising for its application to hybrid simulation. This is possible, since all the relevant information from the moving mass dynamics is included in the force input, thus allowing for its compensation.

RESUMEN

Las estructuras ligeras sometidas a cargas peatonales pueden vibrar en exceso. El control activo de vibraciones constituye una solución efectiva para su mitigación. Sin embargo, la dinámica de los actuadores empleados afecta negativamente al rendimiento y estabilidad del sistema global. Además, su puesta en marcha involucra procesos de ajuste tediosos. Por lo tanto, el uso de técnicas adecuadas de ensayo en laboratorio implica ahorros significativos. La simulación híbrida en tiempo real con mesas vibradoras representa un método de ensayo eficiente para estos dispositivos. Desafortunadamente, sus accionamientos, basados en actuadores hidráulicos, presentan un marcado comportamiento no lineal dificultando el uso de la metodología iterativa estándar de control debido a su naturaleza iterativa e incapacidad para reproducir referencias cambiantes durante el ensayo.

La disponibilidad de técnicas de control capaces de compensar la dinámica de los actuadores en tiempo real sería indudablemente ventajosa para su aplicación en los anteriores problemas de control. Por lo tanto, este trabajo se centra en el desarrollo de esquemas de inversión dinámica para controladores activos de vibraciones y mesas vibradoras.

Las inversión dinámica se ha aplicado al control en fuerza de actuadores inerciales electromagnéticos empleados en control activo de vibraciones. El esquema obtenido se ha aplicado al conocido método de Realimentación Directa de la Velocidad, dando lugar al algoritmo de Realimentación de la Velocidad con Inversión Dinámica. Asimismo, se ha propuesto el algoritmo de Cancelación de Fuerza en Banda Ancha, con el propósito de mitigar vibraciones en un amplio rango de frecuencias, mediante la estimación y cancelación aproximada de las fuerzas externas. Las técnicas de inversión pueden también aplicarse para mejorar cualquier algoritmo basado en fuerza. Los métodos propuestos se han evaluado numérica y experimentalmente sobre una pasarela de material compuesto. Los resultados indican una mejora significativa en el seguimiento de la referencia de fuerza. La Realimentación de la Velocidad con Inversión Dinámica supera claramente al esquema clásico y muestra potencial para mejoras mayores en estructuras con resonancias más bajas. Los resultados de la cancelación de fuerza son mejores que los obtenidos con los esquemas de realimentación de velocidad en frecuencias altas; no obstante, su comportamiento a bajas frecuencias no es tan bueno como el esperado, debido a errores de modelado estructural.

Por otro lado, la aplicación de las técnicas de inversión dinámica al control de mesas vibradoras uniaxiales ha dado lugar a dos algoritmos de control validados numéricamente. El primero permite la aplicación sobre el émbolo del actuador de una derivada temporal de la fuerza de presión arbitraria calculada mediante un proceso de identificación de la impedancia del sistema. El desempeño de este algoritmo es sensiblemente mejor que el del esquema iterativo, dado que las no linealidades hidráulicas son aproximadamente canceladas; sin embargo, necesita de una identificación del sistema y no puede ser aplicado a la simulación hibrida, estando más indicado para la actualización de sistemas de control.

El segundo método se basa en la inversión de un modelo de espacio de estado lineal del actuador cuyas entradas son la orden de control y la fuerza ejercida sobre el vástago y su salida la aceleración de este. Mediante su aplicación, se consigue un notable seguimiento de la referencia de aceleración independientemente del espécimen bajo ensayo, mejorando en gran medida las prestaciones del procedimiento iterativo, ya que no requiere de iteraciones, es independiente del espécimen y permite reproducir referencias desconocidas a priori, resultando prometedora su aplicación a la simulación híbrida. Esto es posible, ya que toda la información relevante acerca de la dinámica de la masa móvil está incluida en la entrada de fuerza, permitiendo así su compensación.