Control and actuating devices for mechanical systems
Prof. Edoardo Sabbioni
Control strategy
Variables:
- Manipulated: I can control them
- Non manipulated: Unknown or unwanted input of my system
- Observable: All the variables I can measure
- Non observable: Non measurables
Feedforward control (FFC)
Target control based on a model:
- Demand
- Actuator
- Torques
- Forces
System inputs response:
ϐc: Control forces
ϐd: Deterministic forces
ϐrand: Random forces
mẍ + rẋ + kx = ϐc + ϐd + ϐrand
Target: X ≡ Xr (reference)
Xr FFC ϐc SYSTEM X ϐd + ϐrand
m̂ẍr + r̂ẋr + k̂xr = ϐc + ϐd
ϐc - ϐc(t) = m̂ẍr + r̂ẋr + k̂xr - ϐd
mẍ + rẋ + kx = m̂ẍr + r̂ẋr + k̂xr - ϐd + ϐd + ϐrand
The model is the one of the equation of motion:
I don't add ϐrand because it's unknown. We substitute this into our equation of motion under this hypothesis of m = m̂, r = r̂, and ϐrand negligible
X ≡ Xr
In general:
X(t) = XH(t) + XP,r(t) + XP,rnd(t)
- Particular solution due to random forces
- Particular solution due to reference forces
- Homogenous solution
Homogeneous solution
It's the transient, we have when mẍ + rẋ + kx = 0
XH = A1 eλ1t + A2 eλ2t
λ1,2 = -σ ± iω
σ = r/2m = hω0; ω = ω0√1-h2
ω0 = √k/m; h = r/2mω0
FFC does not affect transient, it depends only on m, r, k
Particular solution
Random force frand
∫frand = ∑k=1Nc |Frand,k| cos(kΩ0t + φk) = ∑k=1Nc Re (Frand,k eikΩ0t)
(Ωk = kΩ0)
The response to a harmonic function is an harmonic function too
XP,rnd = ∑k=1Nc |Xrnd,k|cos(Ωkt + Θk)
FRF = G(Ω) = Xend / βend = 1 / (-mΩ2iΩc+k)
Also in this case FFC does not affect FRF
If π↑, the peak lowers, but the resonance region is larger. We have to make a trade-off
2π / Ω
Xc(t) = Σ n=1N |Xn| cos(Ωnt + αn) = Σn=1N Re(Xn eiΩnt)
Eq. of motion to get particular solution of βc
Derivatives
mẍc+rẋc+kXc = βc
{ ẋn(t) = Σn=1N Re(iΩnXn eiΩnt)
ẍn(t) = Σn=1N Re(-Ωn2Xn eiΩnt)
So I get
βc(t) = Σn=1N Re[(-mΩn2+irΩn+k) Xn eiΩnt]
Xr = G-1(i)c = - mn2 + in + Xp,R(t) = ∑k=1N Re (XR,k eikt) = ∑k=1N |XR,k| cos(kt + k)
If we substitute gw with gc w G(i) = X/ we get an insanity
In practice it’s impossible: We can’t exactly estimate m,, (R = the hardest)
During resonance we get big displacement and low forces
We may consider only the low freq. component of |Xc| ⇒ Xo
It’s not a triangular wave anymore but a sinusoidal
Summary FFC
- Transient not affected
- Disturbances are not reduced
- In theory we have perfectly X ≅ Xr
- In practice a lot of issues are present due to approximation
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