OCENA SKUTECZNOŚCI AKTYWNEJ REDUKCJI DRGAŃ BELKI WYSIĘGNIKOWEJ Z KOMPOZYTOWYM SIŁOWNIKIEM PIEZOELEKTRYCZNYM

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Paweł Staszewski, Prof. nzw. P.W. Warszawa, dn Instytut Systemów Elektronicznych Wydział Elektroniki Wojskowa Akademia Techniczna R E C E N Z J A rozprawy doktorskiej Mgr inż. Michała Augustyniaka pt.: OCENA SKUTECZNOŚCI AKTYWNEJ REDUKCJI DRGAŃ BELKI WYSIĘGNIKOWEJ Z KOMPOZYTOWYM SIŁOWNIKIEM PIEZOELEKTRYCZNYM 1. Ocena wyboru tematyki i celu pracy Metody obliczeniowe oraz praktyczne sposoby coraz bardziej efektywnego tłumienia drgań elementów konstrukcji są zagadnieniem aktualnym z uwagi nieustanne pojawianie się nowych, złożonych konstrukcji maszyn i urządzeń pracujących w środowisku naturalnym i narażonych na jednorazowe, bądź najczęściej okresowe wymuszenia mechaniczne o szerokich pasmach częstotliwości. Mogą one pochodzić z bezpośredniego środowiska, w którym pracuje rozważany obiekt, jak również z wnętrza danej konstrukcji. W przemyśle, w większości przypadków drgania powstają jako efekt uboczny procesów roboczych, co pogarsza jakość pracy urządzeń i prowadzi do konieczności wyeliminowania drgań bądź znacznej redukcji ich poziomu. W ten sposób uzyskuje się lepsze parametry pracy urządzenia, pozbawione zjawisk pasożytniczych. Ponadto efekty te mniej szkodliwie oddziaływają na środowisko, na co w obecnej dobie kładziony jest coraz większy nacisk. Tematyka tłumienia drgań i rozwiązania zaproponowane w pracy mogą mieć różnorodne zastosowania przemysłowe. Istotnym z punktu widzenia energetyki obszarem są elektrownie wiatrowe ze znacznymi wymiarami i ciężarem łopat wirnikowych. Istotnym przypadkiem, gdzie drgania wpływają negatywnie na wykonywane zadania są również łopaty śmigłowca. Poddane są one bowiem nie tylko czynnikom zakłócającym pochodzącym z atmosfery, lecz również drganiom narzuconym przez napęd śmigłowca. Z uwagi na znaczną rolę przemysłu lotniczego i zagadnienia eko-środowiskowe podjęcie zadań badawczych w tej tematyce jest zdecydowanie uzasadnione. Trzeba zwrócić uwagę na użyteczność wyników pracy wyrażoną w zwięźle sformułowanym przez Autora jej celu, tzn.: Określeniu oceny skuteczności redukcji drgań belki wysięgnikowej za pomocą siłownika MFC. Oczekiwane rozwiązanie ma zatem dać odpowiedź dotyczącą wpływu wybranych algorytmów regulacji i nastaw regulatorów na skuteczność redukcji drgań belki. Sformułowany powyżej cel uzasadnia poprawnie zredagowaną tezę pracy w postaci:

2 2 Efektywność redukcji drgań belki zależy od doboru regulatora i jego nastaw, a dla każdego typu regulatora istnieją warunki, przy których efektywność energetyczna tłumienia drgań belki uzyskuje wartość maksymalną. Podjęcie badań dla belki z nowoczesnym kompozytowym siłownikiem piezoelektrycznym Macro Fiber Composite (MFC) typu M-8503P1 stanowi istotny walor pracy. Na podkreślenie zasługuje też trafny wybór układu regulacji z zastosowaniem algorytmów PID i nieliniowych algorytmów nasyceniowych. Zwraca również uwagę dobór dobrej jakości elementów układów, np. filtrów rezonansowych typu Positive Position Feedback, Strain Rate Feedback i Nonlinear Saturation Control. Dla modeli, w których zachodzą zmiany parametrów obiektów wprowadzono efektywne układy adaptacyjne z modelem odniesienia MRAS. Praca przedstawia zamknięty cykl badawczy obejmujący badania symulacyjne, wykonanie stanowiska laboratoryjnego, badań eksperymentalnych i dyskusję wyników. Fakt realizowania badań w ramach Projektu "Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG /08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG) zwiększa w istotny sposób zakres jej wdrożeń oraz podkreśla jej wartość użyteczną i badawczo-rozwojową. Tak sformułowane: zakres pracy, cele oraz teza odpowiadają aktualnemu zapotrzebowaniu, polityce ekologicznej i tendencjom w kierunku prowadzenia badań w omawianej tematyce. W świetle powyższych uwag wyrażam opinię, że tematyka i zakres przedstawionej do recenzji pracy doktorskiej Pana Mgr inż. Michał Augustyniaka pt.: Ocena skuteczności aktywnej redukcji drgań belki wysięgnikowej z kompozytowym siłownikiem piezoelektrycznym są w dużej mierze zasadne. 2. Struktura pracy, uwagi merytoryczne i dyskusyjne Przedstawiona do recenzji praca zawiera 94 strony roboczego tekstu. Zredagowana jest w 9-ciu rozdziałach często poprzedzonych wprowadzeniem oraz charakterystyką własności układów piezoelektrycznych. W końcowej części zawiera podsumowanie, wnioski końcowe i bibliografię zawierającą 52 pozycje literatury. Większość rozdziałów zawiera lokalne podsumowanie, co ułatwia syntetyczną ocenę pracy. Rozdz.2 ma głównie charakter opisowy w zakresie właściwości układów piezoelektrycznych, w oparciu o przegląd literatury. Zawiera jednak również charakterystyczne wyniki własnych eksperymentów dotyczące przykładowego siłownika MFC. Rozdziały 3-9 stanowią podstawową zawartość pracy. Wychodząc z definicji pojęcia skuteczności energetycznej redukcji drgań belki jako podstawowego pojęcia dla realizacji kolejnych etapów rozprawy (Rozdz.3) Autor przedstawia

3 3 w Rozdz.4 główne badania modelowe, obliczenia symulacyjne i badania laboratoryjne łącznie z graficznym opracowaniem wyników.. Rozdz.5 i 6 zawierają realizację zadań modelowych i obliczeniowych w oparciu o przyjęty model matematyczny nieliniowego równania różniczkowego drugiego rzędu i układy regulacji. Dobrano stosowne regulatory dające dobre efekty redukcji drgań. Zmiany parametrów modelu uwzględniono poprzez stosowną modyfikację filtrów rezonansowych. Odpowiednie stanowisko laboratoryjne posłużyło do wykonania testów identyfikacyjnych. Na podstawie tych testów wyznaczono parametry belki i siłownika, które wykorzystano w dalszej części pracy do obliczeń symulacyjnych. Rozdz.7 i 8 stanowią w mym przekonaniu najistotniejszy dorobek Autora pracy. Koncepcja i szczegółowy projekt autorskiego stanowiska badawczego z wszelkimi niezbędnymi elementami dotyczącymi zarówno oprogramowania jak i podzespołów przedstawione są w Rozdz.7. Stanowisko cechuje się uniwersalnością i łatwością ustalania struktury badań z możliwością programowania sekwencji kroków w zakresie realizacji programowej, pomiarowej jak również opracowywania wyników. Wykonanie i prezentacja wszystkich podstawowych badań na obiekcie rzeczywistym są przedmiotem Rozdz.8. Rezultaty badań uzyskano stosując te same algorytmy jakich użyto wcześniej, podczas obliczeń symulacyjnych. Rozdział ten zawiera wnioski odnoszące się do rozwiązywanego problemu naukowego i tezy rozprawy Rozdz.9 zarysowuje kierunki dalszych prac autora Lektura pracy nasuwa następujące uwagi merytoryczne, bądź dyskusyjne: 1. W porównaniu z bardzo bogatym zakresem projektowo-pomiarowym pracy słabszą jej stroną jest zawartość dotycząca struktury modeli obliczeniowych, równań i współzależności matematycznych oraz fizyczno materiałowych (Rozdziały 3 do 6). W zdecydowanej większości tekstów przytaczane są równania i współzależności zaczerpnięte bezpośrednio z literatury, bez komentarzy i minimalnej chociażby analizy porównawczej. Bardzo celowe byłoby uniknięcie tego mankamentu i pokuszenie się o próby wprowadzenia niewielkich nawet modyfikacji wybranych ostatecznie używanych wzorów, zaznaczając precyzyjnie wymiar tych zmian. Jeśli działania takie wydawałyby się na aktualnym etapie prac z różnych względów niemożliwe, to należałoby chociaż wspomnieć o potencjalnych możliwościach. Wzbogaciłoby to teoretyczną wartość pracy. 2. Większość modeli i równań matematyczno-fizycznych, szczególnie w Rozdz.3 5, poparta jest cytowaniem odpowiednich pozycji bibliograficznych. Jednak niedociągnięciem pracy jest brak

4 4 w wielu miejscach ścisłego odniesienia do literatury w sytuacji kiedy Autor proponuje ostateczne zależności analityczne, równania i modele obliczeń służące realizacji konkretnych zadań. Celem jednoznacznego określenia własnego wkładu naukowego w pracach promocyjnych jest szczególnie zalecane, aby Autor przytaczał na bieżąco w odnośnych miejscach najbliższe tematycznie pozycje literatury i komentował precyzyjnie, czy jego propozycje mają charakter autorski, czy też w korzysta w pełni lub częściowo z rezultatów cytowanych opracowań, bądź jakie wprowadza elementy oryginalne lub modyfikacje. Proszę o uściślenia tej kwestii w prezentacji osiągnięć własnych podczas obrony publicznej. 3. Przykładem dla uwag podanych w poprzednim punkcie są fragmenty tekstu pracy. W jednym z początkowych rozdziałów Autor informuje, że w trakcie badań testowano działanie wybranych algorytmów sterowania, jakie wyłoniono na podstawie wcześniejszej analizy prac naukowych [1, 14, 21, 22, 38, 44, 45, 47],.. testy te pozwoliły na poznanie zalet i wad poszczególnych rozwiązań.,.. na podstawie zdobytych doświadczeń opracowano własne algorytmy Warto by w tym miejscu jak i w podsumowaniu wyszczególnić nowe cechy tych algorytmów. Innym przykładem jest fragment tekstu na str.35: W końcowym etapie badań algorytmy te rozbudowano o układy adaptacyjne [3, 4, 24], pozwalające na efektywną redukcję drgań nawet przy zmieniających się parametrach belki. Czytelnik nie otrzymuje tu dokładnej informacji kto jest autorem tych modyfikacji. W omówionych przypadkach, zarówno w trybie bieżącym, jak i w podsumowaniu końcowym celowe byłoby znacznie bardziej przejrzyste i ścisłe określenie jakimi nowymi cechami charakterystycznymi wyróżniają się propozycje Autora i w jakim stopniu dają bardziej wiarygodne wyniki. Proszę o odniesienie się do tej kwestii podczas referowania pracy 4. W Rozdz.5 i 6 przedstawiono model matematyczny nieliniowego równania różniczkowego drugiego rzędu i opis układu regulacji. Na podstawie literatury wybrano klasyczne układy PID oraz filtry rezonansowe z członami: proporcjonalnym, różniczkującym bądź nieliniowym. Proszę o szczegółowsze informacje dotyczące możliwości lub niecelowości zastosowania w badanych modelach matematycznych innych, bardziej efektywnych lub zmodyfikowanych, a może jednocześnie prostszych i tańszych układów i filtrów, stosownie do rezultatów najnowszych badań i koncepcji rozwijanych w tym zakresie. 5. Rozdział dziewiąty wskazuje kierunek przyszłych prac autora. Zamieszczenie w tym rozdziale informacji nt. zrealizowanych już dotychczas układów z wirującymi modelami łopat nie jest stosowne. Materiał ten należałoby podać w rozdziale wstępnym dotyczącym prezentacji literatury w omawianej dziedzinie, szczególnie na tle podobnych prac badawczo-rozwojowych związanych z analizą drgań śmigieł samolotowych.

5 5 Zagadnienia szczegółowe: W jakiej skali wykonany został dwu- i trój-łopatowy model wirnika? Jeśli różnej od jedności to jakich adaptacji wymagałyby proponowane modele i konstrukcje dla wirników rzeczywistych? Str.56: Rys.20 schemat blokowy powinien zawierać blok warunkowy informujący dla jakich warunków kończą się obliczenia iteracyjne Do szczególnych zalety pracy zaliczam: Projekt i wykonanie uniwersalnego stanowiska badawczego Bogaty zbiór wyników badań eksperymentalnych na modelach dwu- i trój-ramiennego śmigła helikoptera Określenie wpływu odstrojenia filtrów na jakość redukcji drgań Analizę porównawczą wyników badań laboratoryjnych i wybór rozwiązań optymalnych Duże możliwości zastosowań przemysłowych w kraju i potencjalnie za granicą: Dolina Lotnicza PL, Projekt Europejski "Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym", Nr POIG /08-00 w Programie Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG) Za najważniejsze osiągnięcia Autora uważam: Wykonanie zamkniętego cyklu badań począwszy od modelowania matematycznego, symulacji, wykonania eksperymentalnych badań laboratoryjnych i przeprowadzenie analiz porównawczych Autorska koncepcja modelu aktywnej belki kompozytowej z siłownikiem MFC (p.5.2) Wprowadzenie pojęcia efektywności energetycznej dla układów z aktywną redukcją drgań, Zaprojektowanie i uruchomienie stanowiska badań eksperymentalnych Wykonanie badań dotyczących redukcji drgań z udowodnieniem możliwości pozwalających na redukcję poziomu drgań z kilkukrotnie wyższą niż dotychczas efektywnością energetyczną. 3. Podsumowanie Autor rozwiązał samodzielnie kilka problemów modelowych i projektowych przyjmując właściwe założenia i stosując poprawne, kompleksowe metody badań. Struktura pracy jest prawidłowa (z drobnym wyjątkiem), przejrzysta, o właściwej kolejności prezentowanych zagadnień. Na szczególne podkreślenie zasługuje wykonanie nowoczesnego stanowiska pomiarowego i wykonanie szerokiego zbioru badań eksperymentalnych, dokonanie analiz porównawczych i wyciągnięcie wniosków praktycznych.

6 6 Określono dostatecznie dokładnie zakresy optymalnej pracy dla regulatorów rezonansowych typu SRF i PPF, mimo że drugiej części tezy nie udało się potwierdzić w pełnym zakresie. Przytoczone w początkowej części recenzji cele pracy zostały osiągnięte, a teza w głównej części całkowicie uzasadniona. Uzyskane wyniki mają znaczne wartości użytkowe i mogą być bezpośrednio zastosowane w przemyśle lotniczym i energetycznym. Praca charakteryzuje się dużą przejrzystością merytoryczną oraz bardzo dobrą redakcją i stylistyką tekstów dotyczących wyjaśnień z cytowanej literatury jak i autorskich. Nie zauważyłem istotnych usterek redakcyjnych i stylistycznych. Rysunki i tabele są czytelne, w bardzo starannej szacie graficznej. Doktorant wykazał ogólną wiedzę teoretyczną w dyscyplinie naukowej elektrotechnika i dowiódł umiejętności samodzielnego prowadzenia pracy badawczej. Przedstawione w p.2. zasadnicze uwagi merytoryczne, często charakterze dyskusyjnym, nie wpływają na ogólną, dobrą ocenę pracy. Konkluzja W podsumowaniu wyrażam opinię, że przedstawiona przez Mgr inż. Michała Augustyniaka rozprawa doktorska pt.: Ocena skuteczności aktywnej redukcji drgań belki wysięgnikowej z kompozytowym siłownikiem piezoelektrycznym spełnia wymagania Ustawy z dn roku o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym oraz rozporządzenia Ministra Edukacji i Nauki z dnia roku w sprawie szczegółowego trybu przeprowadzania czynności w przewodach doktorskich. Składam wniosek o przyjęcie opiniowanej pracy jako rozprawy doktorskiej i dopuszczenie Mgr inż. Michała Augustyniaka do publicznej obrony. Paweł Staszewski