کنترل نانو عملگر پیزوالکتریک با استفاده از تئوری فلکسوالکتریک وابسته به اندازه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

2 عضو هیأت علمی دانشگاه شهرکرد، دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک

3 دانشکده فنی و مهندسی، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

در این مقاله برای اولین بار از کنترل پسخورد و کنترل فازی به منظور ردگیری مسیر دلخواه انتهای یک نانوتیر طره ای پیزوالکتریک به عنوان یک نانو عملگر استفاده شده است. معادلات حرکت بشکل معادلات دیفرانسیل با مشتقات پارهایی به کمک تئوری فلکسوالکتریک مرتبه بالا وابسته به اندازه استخراج گردیده است. به منظور دستیابی به معادلات حاکم، فرمولاسیون غیرخطی برای نانوتیر اویلر-برنولی پیزوالکتریک با درنظر گرفتن غیرخطیگری فون-کارمن به کارگرفته شده است. معادلات غیر خطی به کمک حساب تغییرات و اصل همیلتون بدست آمده است. برای تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره ایی به معادلات دیفرانسیل معمولی روش گسسته سازی گلرکین پیاده سازی شده است. با استفاده از متغیرهای فضای حالت، مدل فضای حالت نانوتیر برای طراحی کنترل کننده مناسب بدست آورده شده است. سپس طراحی کنترل پسخورد حالت بدون انتگرالگیر، کنترل پسخورد حالت با انتگرالگیر و کنترلر فازی برای کنترل انتهای نانوعملگر به منظور ردگیری مسیر دلخواه صورت پذیرفته است. در پایان اثر ورودیهای متفاوت (سینوسی و پله) به همراه اغتشاش (ضربه) برروی کنترلرهای طراحی شده با استفاده از شبیه سازی کامپیوتری شرح داده شده است. با توجه به یافته های این مقاله میتوان بیان نمود که به ترتیب کنترلر فازی، کنترلر پسخورد حالت با انتگرالگیر و کنترلر پسخورد حالت بدون انتگرالگیر بهترین عملکرد را داشته اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Tip Tracking Control of Piezoelectric Nano-Actuator with Flexoelectric Size-Dependent Theory

نویسندگان [English]

  • Hossein Vaghefpour 1
  • Hadi Arvin 2
  • Yaghoob Tadi Bani 3
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Shahrekord University , Shahrekord, Iran.
2 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Shahrekord University
3 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Shahrekord University , Shahrekord, Iran
چکیده [English]

In this paper, feedback control algorithms to tracking a desired path of a piezoelectric size dependent cantilever nanobeam as a nano-actuator are developed. In size dependent piezoelectric nanobeam, the governing Partial Differential Equation (PDE) of motion is obtained based on the non-classical continuum mechanics which introduces material length scale parameters. Nonlinear formulation of isotropic piezoelectric Euler-Bernoulli nanobeam is derived based on consistent size-dependent piezoelectricity theory. By considering geometrically nonlinear and axial displacement of the centroid of nanobeam section, basic nonlinear equations are obtained by Hamilton’s principle and variational approach. In order to reduce the governing partial differential equations into a set of ordinary differential equations (ODEs) the Galerkin method is applied. By introducing the new set of variables the state space model of nanobeam is derived. The control algorithms are employed to achieve an output tracking control based on the state space model of the nanobeam, for the supply voltage as a control input. The effectiveness of the proposed control algorithms and input voltage are illustrated by some numerical simulations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Piezoelectric nanobeam
  • Scale flexoelectric theory
  • feedback control
  • fuzzy control