autoreferat - imirautoreferat, dr inż. jarosław konieczny strona 3 z 40 1. imię i nazwisko...
TRANSCRIPT
ZAŁĄCZNIK 2. do Wniosku
AUTOREFERAT przedstawiający opis dorobku i osiągnięć naukowych,
w szczególności określonych w art. 16 ust. 2 ustawy o stopniach naukowych
i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki
Dr inż. Jarosław Konieczny
Kraków, październik 2014
Katedra Automatyzacji Procesów
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Al. Mickiewicza 30, paw. B-2, 30-059 Kraków
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 2 z 40
Spis treści
1. Imię i Nazwisko ....................................................................................................................... 3
2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe ................................................................................... 3
3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu ......................................................................... 3
4. Wskazanie osiągnięcia naukowego ........................................................................................ 4
4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego ........................................................................................... 4
4.2. Wykaz prac naukowych stanowiących jednotematyczny cykl publikacji ........................ 4
4.3. Charakterystyka osiągnięcia naukowego ......................................................................... 6
4.4. Omówienie prac stanowiących jednotematyczny cykl publikacji ................................. 10
Modelowanie sterowanych układów redukcji drgań ....................................................... 11
Wskaźniki jakości stosowane do oceny sterowanych zawieszeń ..................................... 13
Synteza praw sterowania dla wybranych zawieszeń ....................................................... 17
Wyniki badań laboratoryjnych wybranych struktur sterowanych zawieszeń .................. 22
4.5. Indywidualny wkład wnioskodawcy w rozwój dyscypliny oraz udział procentowy ...... 29
Podsumowanie ................................................................................................................. 30
5. Pozostałe osiągnięcia naukowo-badawcze .......................................................................... 31
Autorstwo i współautorstwo w publikacjach naukowych ................................................ 31
Uczestnictwo w konferencjach tematycznych ................................................................. 32
Patenty .............................................................................................................................. 32
Udział w realizacji naukowych projektów badawczych.................................................... 33
Udział w realizacji umów z ośrodkami przemysłowymi ................................................... 34
Staże zagraniczne.............................................................................................................. 35
Działalność dydaktyczna ................................................................................................... 35
Działalność organizacyjna ................................................................................................. 36
Redakcja i recenzowanie publikacji w czasopismach naukowych ................................... 37
Indeksy cytowań ............................................................................................................... 37
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 3 z 40
1. Imię i Nazwisko
Jarosław Konieczny
2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe z podaniem nazwy, miejsca i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej
Uzyskany tytuł: Technik elektronik
Technikum Energetyczne im. Tadeusza Kościuszki w Krakowie
Specjalność: Elektronika ogólna
Rok ukończenia: 1992 r.
Uzyskany tytuł: Magister inżynier
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów
Kierunek: Mechanika i Budowa Maszyn
Specjalność: Automatyka i Metrologia
Temat pracy dyplomowej magisterskiej: Sterowanie adaptacyjne w aktywnych układach
redukcji drgań mechanicznych
Promotor: Prof. dr hab. inż. Janusz Kowal, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława
Staszica w Krakowie
Data obrony: 18.09.1997 r.
Uzyskany stopień: Doktor nauk technicznych
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Dyscyplina naukowa: Automatyka i Robotyka
Specjalność: Sterowanie w układach mechanicznych
Temat pracy doktorskiej: Aktywne zawieszenie pojazdu z ograniczonym zużyciem energii
Promotor: Prof. dr hab. inż. Janusz Kowal, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława
Staszica w Krakowie
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Zenon Hendzel, Politechnika Rzeszowska im. Ignacego
Łukasiewicza
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Bogdan Sapiński, Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława
Staszica w Krakowie
Data obrony: 11.09.2006 r.
Praca wyróżniona decyzją Rady Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii
Górniczo Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie
3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu
Od 1 października 1998 r. do 2 października 2006 r. na stanowisku asystenta w Katedrze
Automatyzacji Procesów na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii
Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 4 z 40
W latach 1999 - 2003 nauczyciel akademicki w Wyższej Szkole Biznesu
i Przedsiębiorczości w Ostrowcu Świętokrzyskim na stanowisku asystent. W zakresie
obowiązków prowadzenie zajęć dydaktycznych (wykłady - według autorskich
programów oraz zajęcia laboratoryjne) z przedmiotów: Podstawy informatyki, Bazy
danych, Arkusz kalkulacyjny, Automatyzacja prac biurowych, Projektowanie stron
WWW, Sieci komputerowe oraz Lokalne sieci komputerowe.
W latach 2002 - 2003 własna działalność gospodarcza pod nazwą INFOKON Jarosław
Konieczny. Przedmiotem działalności firmy było prowadzenie szkoleń informatycznych
w zakresie oprogramowania i sprzętu, usługi informatyczne, projektowanie
i wykonawstwo systemów automatyki.
W latach 2001 – 2003 nauczyciel w Prywatnym Medycznym Studium Zawodowym
Techniki Farmaceutycznej w Krakowie. W zakresie obowiązków prowadzenie zajęć
dydaktycznych z przedmiotu „Informatyka i technika komputerowa w aptece” według
autorskiego programu.
Od 2 października 2006 r. – na stanowisku adiunkta w Katedrze Automatyzacji Procesów
na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Akademii Górniczo-Hutniczej
im. Stanisława Staszica w Krakowie.
4. Wskazanie osiągnięcia naukowego
Osiągnięcie naukowe wynikające z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r.
o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U.
nr 65, poz. 595 ze zm.):
4.1. Tytuł osiągnięcia naukowego
Jako osiągniecie naukowe, stanowiące znaczący wkład w rozwój dyscypliny naukowej
Automatyka i Robotyka określonym w art. 16. ust. 2 Ustawy, przedstawiam jednotematyczny
cykl publikacji pod zbiorczym tytułem: Analiza i Synteza Układów Sterowania Drganiami
z Uwzględnieniem Parametrów Energetycznych.
4.2. Wykaz prac naukowych stanowiących jednotematyczny cykl publikacji
Cykl publikacji jednotematycznych tworzących wskazywane osiągnięcie naukowe
obejmuje następujące artykuły opublikowane w czasopismach naukowych o zasięgu
krajowym i zagranicznym 1:
[1] J. Konieczny, J. Kowal, J. Pluta, A. Podsiadło, Laboratory research of the controllable
hydraulic damper, Engineering Transactions. 54 (2006) 203–221.
punkty MNiSW: (4 pkt), liczba cytowań WOS (0), PP (10)
1 Wartości IF zostały wyznaczone na podstawie “5-Year Impact Factor” podawanego przez Thomson Reuters w
Journal Citation Reports. Punkty MNiSW są wykazane na podstawie listy z roku publikacji. Liczbę cytowań podano według baz: Web of Science (WOS) i Publish or Perish (PP). Oświadczenia współautorów prac cyklu jednotematycznego, określające indywidualny wkład każdego z nich w jej powstanie - przedstawiono w załączniku 6 do wniosku.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 5 z 40
[2] J. Konieczny, Modelling of the Electrohydraulic Full Active Vehicle Suspension,
Engineering Transactions. 56 (2008) 187–208.
punkty MNiSW: (4 pkt), liczba cytowań WOS (0), PP (9)
[3] J. Konieczny, Laboratory tests of active suspension system, Journal of KONES. 18
(2011) 263–271.
punkty MNiSW: (9 pkt) , liczba cytowań WOS (0), PP (2)
[4] J. Konieczny, J. Kowal, W. Raczka, M. Sibielak, Bench Tests of Slow and Full Active
Suspensions in Terms of Energy Consumption, Journal of Low Frequency Noise,
Vibration and Active Control. 32 (2013) 81–98.
IF: 0,283, punkty MNiSW: (15 pkt), liczba cytowań WOS (1), PP (2)
[5] M. Sibielak, J. Konieczny, J. Kowal, W. Raczka, D. Marszalik, Optimal Control of Slow-
Active Vehicle Suspension - Results of Experimental Data, Journal of Low Frequency
Noise, Vibration and Active Control. 32 (2013) 99–116.
IF: 0,283, punkty MNiSW: (15 pkt), liczba cytowań WOS (1), PP (3)
[6] M. Sibielak, W. Raczka, J. Konieczny, J. Kowal, Optimal control based on a modified
quadratic performance index for systems disturbed by sinusoidal signals, Mechanical
Systems and Signal Processing. Artykuł złożony do publikacji.
IF: 2.623, punkty MNiSW: (45 pkt), liczba cytowań WOS (0), PP (0)
[7] J. Kowal, J. Pluta, J. Konieczny, A. Kot, Energy Recovering in Active Vibration Isolation
System – Results of Experimental Research, Journal of Vibration and Control. 14 (2008)
1075–1088.
IF: 1.736, punkty MNiSW: (20 pkt), liczba cytowań WOS (6), PP (12)
[8] M. Sibielak, W. Raczka, J. Konieczny, Modified Clipped-LQR Method for Semi-Active
Vibration Reduction Systems with Hysteresis, Solid State Phenomena. 177 (2011) 10–22.
punkty MNiSW: (20 pkt), liczba cytowań WOS (5), PP (8)
[9] W. Raczka, M. Sibielak, J. Kowal, J. Konieczny, Application of an SMA Spring for
Vibration Screen Control, Journal of Low Frequency Noise, Vibration and Active
Control. 32 (2013) 117–132.
IF: 0,283, punkty MNiSW: (15 pkt), liczba cytowań WOS (1), PP (3)
[10] J. Konieczny, J. Pluta, A. Podsiadło, Technical condition diagnosing of the cableway
supports’ foundations, Acta Montanistica Slovaca. 13 (2008) 158–163.
IF: 0.133, punkty MNiSW: (2 pkt), liczba cytowań WOS (3), PP (4)
Uwaga: Sumaryczny wskaźnik Impact Factor (IF) dla artykułów z czasopism [1-10]
z wyłączeniem pozycji [6] wynosi 2.718. Sumaryczna liczba cytowań według WOS
wynosi (17), a według PP wynosi (53). Wskaźniki te podano wyłącznie dla prac
obejmujących jednotematyczny cyklu publikacji.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 6 z 40
4.3. Charakterystyka osiągnięcia naukowego
Wprowadzenie do układów sterowania drganiami
Idea aktywnych metod redukcji drgań została sformułowana w latach trzydziestych
dwudziestego wieku i zastosowana do zredukowania natężenia niepożądanych dźwięków. Ze
względu na rozwój metod przetwarzania sygnałów w praktycznych aplikacjach układów
redukcji drgań mechanicznych jest podejmowana dopiero od lat osiemdziesiątych
dwudziestego wieku. W Polsce w 1993 roku odbyła się pierwsza konferencja naukowa Active
Noise and Vibration Control Methods, MARDiH obejmująca swoim zakresem tematykę
aktywnych metod redukcji drgań. Ciągły postęp technologiczny otwiera szersze możliwości w
zakresie układów sterowania drganiami zwłaszcza w aspekcie wdrażania nowych
mechatronicznych elementów wykonawczych. Głównym czynnikiem ograniczającym
stosowanie w praktyce układów sterowania drganiami jest ich wysoki koszt wykonania
i eksploatacji. Dlatego też podjąłem prace związane z identyfikacją źródeł wysokich kosztów
eksploatacyjnych, przede wszystkim biorąc pod uwagę energochłonność tych układów.
Podjąłem badania nad ograniczeniem zapotrzebowania na energię zewnętrzną na drodze
modyfikacji struktury rozważanych układów oraz nad minimalizacją zużycia energii poprzez
dobór i dostrojenie odpowiedniego prawa sterowania. O ciągłej potrzebie rozwijania technik
sterowania drganiami piszą autorzy książki pt. Aeronautical Technologies for the Twenty-
First Century. W monografii tej autorzy wiążą nadzieję z rychłym rozwojem aktywnych
metod redukcji drgań dzięki rozwojowi takich technologii, jak nowe rozwiązania czujników i
aktuatorów dla wysokich częstotliwości oraz rozwój teorii sterowania w kierunku praw
sterowania dedykowanych dla aktywnych metod redukcji drgań.
Sterowanie drganiami to obszar nauki obejmujący zbiór zagadnień związanych
z układami drgającymi, w których – w celu ich kontroli – wprowadzono dodatkowy
sterowany element wykonawczy. Sterowanie tym elementem realizuje się zgodnie z prawem
sterowania, które może być wybrane tak, aby: redukować drgania w jak największym
stopniu, wzmacniać je lub kontrolować na ściśle określonym poziomie. Do realizacji zadania
sterowania drganiami niezbędne jest wprowadzenie do układu dodatkowego elementu
wykonawczego nazywanego aktuatorem. W przedstawionym jednotematycznym cyklu
publikacji większość moich prac dotyczy redukcji drgań pojazdów z zastosowaniem
sterowanych zawieszeń. Pozostałe prace dotyczą kontroli drgań na odpowiednim poziomie
oraz metod ich oceny. Duża część moich prac dotyczy modelowania zarówno elementów
wykonawczych stosowanych w układach sterowania drganiami, jak i całych układów
sterowanych zawieszeń.
Zawieszenia historycznie dzielone są na pasywne i sterowane, a te z kolei mogą być
semi-aktywne lub aktywne. Jeżeli do zawieszenia nie jest dostarczana energia z zewnątrz
w celu zminimalizowania drgań to mówimy, że jest ono pasywne. Natomiast sterowane
zawieszenia można sklasyfikować według dwóch kryteriów: ze względu na energię wejściową
dostarczaną do nich oraz ze względu na pasmo częstotliwości działania elementu
wykonawczego. Jeżeli dostarczamy energię z zewnątrz do zasilania układu generującego siłę
w celu redukcji drgań, to mówimy o zawieszeniu aktywnym. W przypadku, gdy energia ta
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 7 z 40
jest dostarczana w celu sterowania parametrami zawieszenia, np. współczynnikiem
sztywności lub tłumienia wiskotycznego, to mamy do czynienia z zawieszeniem semi-
aktywnym. Klasyfikacja ze względu na pasmo częstotliwości mówi o relacjach pomiędzy
częstotliwością zakłócenia a częstotliwością graniczną określającą pasmo działania elementu
wykonawczego.
Na przestrzeni ostatnich lat powstało wiele klasyfikacji zawieszeń sterowanych. Autor
skłania się do wyodrębnienia pięciu rodzajów zawieszeń sterowanych uszeregowanych pod
względem zapotrzebowania na energię zewnętrzną:
1. zawieszenia adaptacyjne,
2. zawieszenia semi-aktywne,
3. zawieszenia typu load leveling,
4. zawieszenia typu slow-active (struktura szeregowa),
5. zawieszenia typu full-active (struktura równoległa).
Pierwsze dwa typy to zawieszenia, w których skuteczną redukcję drgań uzyskuje się
dzięki sterowanej zmianie takich parametrów, jak tłumienie wiskotyczne lub sztywność
sprężyny. W układach tych energia dostarczana do sterowanego zawieszenia służy wyłącznie
zmianom parametrów układu drgającego. Różnica pomiędzy tymi zawieszeniami polega na
zakresie częstotliwości działania elementu wykonawczego. Układy adaptacyjne ograniczają
się wyłącznie do wolnych zmian (poniżej 5 Hz) i dostosowują się do nich – przykładowo
adaptują się do zmian rodzaju nawierzchni z szutrowej na asfaltową. Natomiast zawieszenia
semi-aktywne redukują drgania w szerokim przedziale częstotliwości, a element wykonawczy
charakteryzuje się pasmem działania nawet do 40 Hz.
Zawieszenia load leveling, slow-active i full-active charakteryzują się tym, że energia
zasilająca układ generujący siłę jest wykorzystywana do zmniejszenia amplitudy drgań.
Skuteczność redukcji drgań w przypadku tych trzech zawieszeń jest większa niż w przypadku
układów adaptacyjnych i semi-aktywnych. Pierwszym z układów, w których mamy do
czynienia z dostarczaniem energii do aktuatora aktywnego zawieszenia w celu generowania
sił o tym samym kierunku, co zakłócenie od drogi lecz przeciwnym zwrocie, jest układ load
leveling. W układzie tym energia dostarczana do zasilania elementu wykonawczego
zamieniana jest na pracę wykonywaną w celu kompensacji przechyłów lub ugięcia
zawieszenia w stanie ustalonym.
Kolejnymi układami, w których aktuatory generują siłę wykonującą pracę
ukierunkowaną na redukcję drgań są zawieszenia slow-active i full-active. Podstawową
różnicą między tymi strukturami jest umiejscowienie elementu wykonawczego (aktuatora).
W strukturze full-active aktuator jest połączony ze sprężyną równolegle, a w slow-active –
szeregowo. Budowa tych struktur powoduje, że dla układu slow-active oczekiwane pasmo
częstotliwości działania aktuatora jest ograniczone w stosunku do struktury full-active.
Ze względu na potencjalnie większą skuteczność wibroizolacji, w moich pracach
zajmowałem się głównie dwiema strukturami zawieszeń: full i slow-active.
Zastosowanie aktywnych układów redukcji drgań w pojazdach kojarzy się
bezpośrednio z dużym zapotrzebowaniem na energię zewnętrzną. Jest to najistotniejszy
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 8 z 40
parametr ograniczający szerokie stosowanie sterowanych zawieszeń w pojazdach, dlatego
w swoich badaniach zwróciłem szczególną uwagę na zagadnienia energetyczne.
W literaturze rozważanych jest wiele strategii sterowania aktywnym zawieszeniem,
a większość rozwiązań skupia się na efektywności izolacji od drgań. W przypadku klasycznych
pasywnych zawieszeń pojazdów kołowych rozważa się także kierowalność pojazdem,
trzymanie się drogi oraz ochronę nawierzchni. Jednak niewiele jest prac poruszających tę
tematykę dla zawieszeń sterowanych oraz tematykę zapotrzebowania na energię aktywnych
układów redukcji, szczególnie w kontekście efektywności wibroizolacji. Większość badań
dotyczących zapotrzebowania na energię zewnętrzną dla aktywnych układów zawieszeń
pojazdów ogranicza się do badań symulacyjnych.
W sterowanych układach zawieszeń przeznaczonych dla przemysłu motoryzacyjnego
zasadniczym zadaniem sterowania jest zmniejszenie odziaływań dynamicznych wywołanych
nierównościami drogi. Odziaływania te traktowane są w układzie sterowania drganiami jako
zakłócenie. W zależności od przyjętego modelu obiektu zakłócenie jest definiowane jako
przemieszczenie lub siła odziaływująca na obiekt sterowania, którym jest aktywne
zawieszenie. Jest ono rozpatrywane jako zakłócenia losowe o rozkładzie normalnym i funkcji
gęstości widmowej mocy zależnej od klasy drogi. Z tego powodu istotne jest uwzględnienie
zmieniającego się charakteru zakłóceń na etapie syntezy prawa sterowania. Dodatkowym
problemem jest różna lokalizacja oddziaływania zakłócenia i siły sterującej generowanej
przez element aktywny. Układy takie w literaturze określane są jako non-collocated systems.
Zakłócenia dla sterowanych zawieszeń pojazdów są na ogół trudno mierzalne, a stosowane
w praktyce aktywne elementy wykonawcze posiadają ograniczoną dynamikę i często
opisywane są nieliniowymi równaniami różniczkowymi.
Techniki syntezy praw sterowania drganiami stosowane są także w przypadku
generatorów drgań. Zaproponowane w jednotematycznym cyklu publikacji metody analizy
i oceny układów drgających stosuje się również w układach diagnostyki np. konstrukcji
budowlanych.
Indywidualny wkład autora
W jednotematycznym cyklu publikacji opracowałem nowe i oryginalne podejście
(niepublikowane dotychczas w literaturze światowej) do analizy i syntezy układów
sterowania drganiami, a w szczególności zawieszeń pojazdów. Podejście to – oprócz
efektywności redukcji drgań – uwzględnia zapotrzebowanie na zewnętrzną energię zasilającą
element aktywny, które do tej pory nie było brane pod uwagę w układach aktywnych
zawieszeń. Przedstawione metody analizy i syntezy praw sterowania zaimplementowałem w
sterownikach czasu rzeczywistego dla obiektów laboratoryjnych i przebadałem na drodze
eksperymentalnej, co potwierdziło ich efektywność w praktycznych zadaniach sterowania
drganiami.
Znaczący wkład przedstawionego osiągnięcia naukowego w rozwój nauki z zakresu
analizy sygnałów, teorii sterowania i mechaniki polega na zdefiniowaniu zestawu autorskich
wskaźników służących do oceny układów sterowania drganiami. Wskaźniki te umożliwiają
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 9 z 40
ocenę nieliniowych układów sterowania drganiami zarówno pod względem przenoszenia
drgań, jak i zapotrzebowania na energię zewnętrzną niezbędną do zasilania aktywnego
elementu wykonawczego. Stanowią one podstawę do formułowania praw sterowania. Ze
względu na swoją istotę, układy sterowania drganiami podlegają specyficznym
przeciwstawnym kryteriom oceny. Z jednej strony – w celu maksymalizacji redukcji lub
wzmocnienia drgań w całym zakresie rozpatrywanych częstotliwości – potrzebna jest jak
największa energia zastosowana do zasilania elementu wykonawczego. Z drugiej strony –
duże zapotrzebowanie na zewnętrzną energię stanowi istotny czynnik, ograniczający w
praktyce powszechne zastosowanie układów sterowania drganiami. Dla pojazdów kołowych
kolejne wskaźniki będące w sprzeczności z wyżej wymienionymi to: kierowalność pojazdem,
trzymanie się drogi i ochrona nawierzchni. Osiągnięcie kompromisu pomiędzy tymi
przeciwstawnymi wskaźnikami jest podstawowym zadaniem realizowanym przez aktywny
układ zawieszenia.
W pracach złożonych jako jednotematyczny cykl publikacji przedstawiłem między
innymi analizę i badania dwóch odmiennych struktur sterowanego zawieszenia pojazdu:
slow-active i full-active. Wykazałem, że – ze względu na efektywność redukcji drgań – wybór
struktury mechanicznej zawieszenia (przy założeniu, że obiekt jest sterowalny) ma
drugorzędne znaczenie. Jednakże z przeprowadzonych przeze mnie badań wynika, że
struktury te różnią się zapotrzebowaniem na energię z zewnętrznego źródła zasilania.
Elementy wykonawcze zastosowane w rozważanych zawieszeniach zamodelowałem
uwzględniając ich nieliniowy charakter. Aktuatory stosowane w układach sterowania
drganiami opisywane są zwykle nieliniowymi równaniami różniczkowymi. Często też sam
obiekt sterowania ma nieliniowy charakter, dlatego synteza efektywnych algorytmów
sterowania stanowi duże wyzwanie. W takim przypadku synteza nieliniowych układów
regulacji jest pierwszym narzucającym się rozwiązaniem. Wyznaczenie optymalnego prawa
sterowania w przypadku nieliniowości występujących w rozważanych układach
wykonawczych jest zadaniem o dużej złożoności obliczeniowej. Z uwagi na moc obliczeniową
sterownika nie jest to efektywne podejście do realizacji procesu sterowania.
Najczęściej spotykanym sposobem rozwiązania problemu syntezy prawa sterowania
obiektem nieliniowym jest linearyzacja modelu. Dla rozpatrywanych sterowanych zawieszeń
pojazdów z hydraulicznym siłownikiem kontrolowanym za pomocą serworozdzielacza
przepływowego, przeprowadziłem syntezę nieliniowych modeli matematycznych.
W odróżnieniu od klasycznej metody linearyzacji w punkcie pracy, zaproponowałem metodę
linearyzacji po dopuszczalnych trajektoriach systemu w przedziale pracy dla realnych
zakresów wartości zmian ograniczonego wektora stanu. W przypadku, gdy nieliniowa funkcja
nie jest różniczkowalna w punkcie pracy, zaproponowana metoda stanowi rozwiązanie
problemu linearyzacji nieliniowego modelu zawieszenia. Ponadto ze względu na linearyzację
w zakresie pracy zaproponowana metoda daje lepsze przybliżenie modelu nieliniowego za
pomocą modelu zlinearyzowanego.
Przedłożone w jednotematycznym cyklu osiągnięcia zostały potwierdzone
eksperymentalnie i stanowią mój znaczny wkład badawczy w rozwój dyscypliny naukowej
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 10 z 40
Automatyka i Robotyka. Osiągnięcia te związane są głównie z praktyczną realizacją
zaproponowanych metod sterowania. Zbudowałem stanowiska badawcze, które pozwalają
na doświadczalną weryfikację prowadzonych przeze mnie rozważań teoretycznych
i symulacyjnych. Obejmują one opracowanie metod pomiaru i sterowania oraz ich
implementację na sterowniki czasu rzeczywistego (RT) oraz reprogramowalne układy FPGA.
Układy FPGA używane były do sprzętowej realizacji wybranych algorytmów krytycznych ze
względu na czas wykonania i wymaganą niezawodność działania sterownika. Opracowane
układy sterowania drganiami były badane na specjalnie zaprojektowanych do tego celu
stanowiskach badawczych, których jestem pomysłodawcą i głównym projektantem.
Laboratoryjne badania fizycznych modeli układów sterowania drganiami potwierdziły
wysoką skuteczność zaproponowanego podejścia zarówno do układów redukcji, jak
i kontrolowania drgań.
Szczegółowy opis rezultatów osiągniętych w ramach jednotematycznego cyklu
publikacji przedstawiłem poniżej w części Omówienie prac stanowiących jednotematyczny
cykl publikacji.
Prace wykazane w jednotematycznym cyklu zostały opublikowane (z wyjątkiem [6],
która w okresie opracowania niniejszego wniosku jest w trakcie publikacji) w czasopismach
naukowych o zasięgu międzynarodowym, tematycznie ukierunkowanych na zagadnienia
poruszane w poszczególnych publikacjach. Cykl ma następującą strukturę:
artykuły (3 szt.) opublikowane w wysoko notowanych czasopismach wydawanych
pod patronatem Polskiej Akademii Nauk (są to prace powstałe przed
opublikowaniem Rozporządzenia Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego z dnia
01.09.2011 w sprawie kryteriów oceny osiągnięć osoby ubiegającej się o nadanie
stopnia doktora habilitowanego)
artykuły (6 szt.) w czasopismach znajdujących się w bazie Journal Citation Reports
(JCR) tzw. lista filadelfijska,
artykuł w tematycznym czasopiśmie naukowym zamieszczonym w części B wykazu
czasopism MNISW za rok 2013.
4.4. Omówienie prac stanowiących jednotematyczny cykl publikacji
Przedstawione prace stanowią syntezę wyników moich badań przeprowadzonych
w latach 2006 – 2014. Inspiracją dla prac naukowo-badawczych prowadzonych przeze mnie
po uzyskaniu tytułu doktora był wieloletni program badawczy realizowany w Katedrze
Automatyzacji Procesów. Jednotematyczny cykl publikacji zaplanowałem tak, aby rezultatem
badań była wiedza, praktyka i doświadczenie niezbędne do zaprojektowania, wykonania
i poprawnej eksploatacji sterowanego zawieszenia pojazdu. W trakcie prowadzenia badań
realizowanych głównie w ramach projektów badawczych powstało wiele prac, których
wyniki pozwoliły na zastosowanie i realizacje praktyczne układów sterowania drganiami.
Istotnym problemem poruszanym w moich publikacjach związanych z technikami
sterowania drganiami jest uwzględnienie zależności energetycznych zarówno na etapie
syntezy prawa sterowania, jak i zapotrzebowania na zewnętrzną energię niezbędną do
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 11 z 40
osiągnięcia założonego efektu kontrolowania drgań. Zagadnienia energetyczne są bardzo
rzadko poruszane w tematyce sterowania drganiami. W bazie Web of Science na blisko 3000
prac dotyczących sterowania drganiami tylko w 345 pracach poruszane są zagadnienia
energetyczne. Spośród tych 345 prac większość rozważań energetycznych dotyczy
rozpraszania energii w układach sterowania drganiami lub jej odzyskiwania, natomiast
aspekt zapotrzebowania na zewnętrzną energię jest w większości prac pomijany, a jest to
przecież jeden z głównych elementów stanowiących o kosztach eksploatacji dla zawieszeń
sterowanych.
W moich pracach przedstawianych jako jednotematyczny cykl publikacji wyróżnić
można wspólne elementy charakteryzujące się jednolitym podejściem do realizacji układu
sterowania drganiami. Wyodrębniłem cztery etapy budowy systemu sterowania drganiami:
1. modelowanie sterowanych układów redukcji drgań,
2. zdefiniowanie wskaźników do oceny jakości sterowania oraz sformułowania prawa
sterowania,
3. synteza prawa sterowania,
4. badania symulacyjne i eksperymentalne na modelach fizycznych z zastosowaniem
sterowników rzeczywistych.
Poniżej scharakteryzowano zrealizowany cykl jednotematyczny pod kątem
wymienionych wyżej etapów budowy systemu sterowania drganiami.
Modelowanie sterowanych układów redukcji drgań
W pracach [1,2] skoncentrowałem się na modelowaniu zarówno elementów
wykonawczych stosowanych do sterowanych układów redukcji drgań jak i całych systemów
redukcji drgań. Znajomość modeli matematycznych wyznaczonych na drodze analitycznej,
jak i na podstawie identyfikacji modeli eksperymentalnych ma bardzo istotne znaczenie –
szczególnie przy syntezie praw sterowania dla aktywnych i semi-aktywnych układów redukcji
drgań według zaproponowanej metody badawczej.
W pracy [1] podjąłem tematykę hydraulicznych tłumików drgań stosowanych
w różnego rodzaju zawieszeniach pojazdów. Rozważania prowadziłem głównie w aspekcie:
wpływu parametrów związanych z nastawianiem siły tłumienia na własności układu oraz
ilości rozpraszanej energii. Badania przeprowadziłem na przykładzie tłumika
doświadczalnego o sterowanych parametrach. W publikacji tej przedstawiłem sposoby opisu
właściwości tłumików w postaci modeli parametrycznych oraz metody ich identyfikacji.
Zasadniczą część pracy [1] stanowi opis badań laboratoryjnych. Zilustrowałem je szeregiem
charakterystyk, umożliwiających porównanie właściwości statycznych i dynamicznych
tłumika sterowanego.
Moim autorskim wkładem jest zaproponowana i opisana w artykule oryginalna
metoda wyznaczania zastępczych współczynników tłumienia na podstawie zależności
energetycznych badanych tłumików laboratoryjnych. W celu wyznaczenia parametrów
przedstawionych w pracy modeli wykonałem układ pomiarowy i sterujący. Badania
prowadziłem z zastosowaniem środowisk programistycznych takich, jak Matlab, LabVIEW.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 12 z 40
Zastosowanie amortyzatora o sterowanej sile tłumienia pozwala na kształtowanie
charakterystyk częstotliwościowych zawieszenia. Dzięki zmiennej (sterowanej) sile można
uzyskać wymagany przebieg charakterystyki w zakresie ograniczonym parametrami
nominalnymi.
Jak wspomniałem wcześniej, najczęściej rozważanymi układami aktywnych zawieszeń
pojazdów są struktury równoległa i szeregowa (full-active i slow-active). Zaletą
zaproponowanych struktur jest możliwość ich dalszej pracy (w ograniczonym zakresie)
w przypadku awarii układu aktywnego. W przypadku struktury równoległej układ należy tak
zaprojektować, aby w razie awarii element aktywny generował jak najmniejszą siłę.
Natomiast w przypadku struktury szeregowej awaria zespołu aktywnego powinna
spowodować usztywnienie aktuatora.
Struktura full-active, nazywana również szerokopasmową, wymaga pracy zespołu
aktywnego w szerokim zakresie częstotliwości od 0 do 20 Hz. Szerokoczęstotliwościowy
charakter pracy zespołu aktywnego skutkuje dużym zapotrzebowaniem na moc
z zewnętrznego źródła zasilania. Zaletą tej struktury jest to, że nie wymaga ona rozbudowy
konstrukcji kolumny zawieszenia. Natomiast struktura szeregowa, nazywana również
wąskopasmową, umożliwia pracę zespołu aktywnego w zakresie poniżej teoretycznego
warunku wibroizolacji ( √ ) dla części pasywnej zawieszenia, zwykle do 5 Hz. Powyżej
tej częstotliwości funkcję redukcji drgań w głównej mierze przejmuje sprężyna pasywna.
Taka konstrukcja umożliwia zmniejszenie zapotrzebowania na moc zewnętrzną w stosunku
do układu o strukturze równoległej. Najistotniejszą wadą zawieszenia z elementem
aktywnym umieszczonym szeregowo ze sprężyną jest zwiększenie wysokości kolumny
zawieszenia. W celu zachowania skoku zawieszenia zarówno sprężyna, jak i element aktywny
muszą mieć skok równy planowanemu skokowi zawieszenia. Inną wadą tego typu zawieszeń
jest duża wrażliwość na zmiany masy resorowanej, co przy zastosowaniu sprężyny o małej
sztywności może prowadzić do niestabilnej pracy układu. W swoich pracach nad układami
zawieszeń o strukturze slow-active zastosowałem sterowaną sprężynę pneumatyczną
połączoną szeregowo z elektrohydraulicznym aktywnym elementem wykonawczym.
Opisane powyżej struktury zawieszeń aktywnych wymagają układów sterowania.
Sformułowałem modele matematyczne zaproponowanych struktur w celu syntezy praw
sterowania.
W pracy [2] zaproponowałem model matematyczny struktury równoległej
uwzględniający właściwości dynamiczne elektrohydraulicznego elementu aktywnego
opisanego nieliniowymi równaniami różniczkowymi. Wspomniany model matematyczny
zapisałem w postaci równań stanu, w których wyodrębniłem część liniową i nieliniową.
Przeprowadziłem identyfikację parametryczną zbudowanego modelu fizycznego
zawieszenia. Wyniki symulacji komputerowych – zrealizowanych na podstawie modelu
fenomenologicznego – porównałem z wynikami badań eksperymentalnych modelu
laboratoryjnego aktywnego zawieszenia pojazdu o strukturze full-active. Weryfikacja
laboratoryjna potwierdziła poprawność zaproponowanego modelu oraz pozwoliła na jego
dostrojenie w celu uzyskania modelu o wymaganej dokładności, umożliwiającego syntezę
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 13 z 40
prawa sterowania. W ostatniej części artykułu wyznaczyłem właściwości statyczne
i dynamiczne otwartego układu zawieszenia (bez regulatora) na podstawie uzyskanych
modeli.
Obszerne fragmenty pracy [3] prezentowane były na międzynarodowej konferencji
tematycznej ACTIVE 2009 w Ottawie oraz na XLIX Sympozjonie „Modelowanie w Mechanice”
w 2010 roku. W pracy tej skoncentrowałem się na zagadnieniach aktywnej redukcji drgań
w pojazdach mechanicznych oraz przeprowadzeniu badań eksperymentalnych zastosowanej
sterowanej struktury zawieszenia. Celem było opracowanie aktywnego zawieszenia pojazdu,
które przy ograniczonym zużyciu energii zewnętrznej zapewni dużą skuteczność redukcji
drgań i stabilność pojazdu. Przedstawiłem syntezę praw sterowania aktywnym zawieszeniem
pojazdu o strukturze równoległej. Porównałem układy sterowania aktywnym zawieszeniem
pojazdu przy ograniczonych parametrach źródła zasilania. Bardzo istotnym elementem pracy
są badania laboratoryjne zaprojektowanego aktywnego zawieszenia pojazdu w postaci
modelu ćwiartkowego. W trakcie tych badań wyznaczyłem zapotrzebowanie na energię
zewnętrzną przy różnych algorytmach sterowania elementem aktywnym. Jako wskaźnik
jakości działania zaprojektowanego i wykonanego zawieszenia, oprócz skuteczności
wibroizolacji, uwzględniłem stabilność układu (zawieszenia pojazdu) oraz zapotrzebowanie
na energię zewnętrzną.
Wyniki badań dla struktury full-active (równoległej) przedstawione w pracy [3]
porównałem w pracy [4] z wynikami badań dla struktury slow-active (szeregowej).
W strukturze szeregowej slow-active zastosowałem ten sam aktywny element wykonawczy
oraz użyłem tych samych praw sterowania. Zatem przyjęty opis matematyczny elementu
aktywnego (siłownik – serwozawór) był ten sam. Modele całych zawieszeń slow- i full-active
zastosowane w pracy [4] przedstawiłem w postaci nieliniowych równań stanu. Były one
podstawą do sformułowania praw sterowania. Parametry liniowych modeli slow- i full-active
zostały dostrojone na podstawie badań laboratoryjnych fizycznych modeli omówionych
struktur zawieszeń.
W pracy [5] przedstawiłem nieliniowy model struktury szeregowej. Model ten
wykorzystałem do syntezy prawa sterowania zarówno w pracy [5], jak i w pracy [6].[7]
W artykule [8] zastosowałem – znany z literatury jako model Spencera – nieliniowy
model tłumika magnetoreologicznego do opisu matematycznego dla fotela operatora
maszyn roboczych. Podobnie jak wcześniej, model zapisałem w postaci równań stanu
z wyodrębnioną częścią nieliniową.
W pracy [9] do syntezy sterowania zastosowałem model nieliniowy wyznaczony na
podstawie identyfikacji parametrów sprężyny SMA. Model przedstawiłem w postaci
transmitancji widmowej.
Wskaźniki jakości stosowane do oceny sterowanych zawieszeń
Podstawowym kryterium oceny skuteczności redukcji drgań jest współczynnik
przenoszenia drgań. Ponieważ amplituda wymuszenia, jak i amplituda drgań masy
wibroizolowanej są funkcjami częstotliwości, wartość współczynnika przenoszenia drgań
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 14 z 40
również wygodnie jest uzależnić od częstotliwości. Dlatego też do oceny redukcji drgań
stosuje się funkcję przenoszenia drgań (zależną od częstotliwości). Jest ona odpowiednikiem
charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej przy założeniu, że sygnałem wyjściowym
z obiektu jest przemieszczenie (lub przyspieszenie) masy wibroizolowanej , a sygnałem
wejściowym przemieszczenie (lub przyspieszenie) umownego punktu kontaktu koła
z nawierzchnią drogi. Przemieszczenie w czasie spowodowane jest ruchem pojazdu po
drodze wykazującej nierówności. Dodatkowym zakłóceniem dla zawieszenia są siły
bezpośrednio oddziałujące na masę wibroizolowaną związaną ze współrzędną
np. podmuchy wiatru, oddziaływania związane z przemieszczaniem się ładunku itp. Ocena
jakości zawieszenia na podstawie przebiegu funkcji przenoszenia drgań jest niejednoznaczna,
dlatego też w swoich pracach zaproponowałem zagregowany wskaźnik jakości.
Ze względu na nieliniowy charakter badanych zawieszeń, w celu wyznaczenia funkcji
przenoszenia drgań oblicza się wariancję ,
sygnałów przemieszczeń , na
podstawie estymatora wyznaczanego z zależności (1)
∑
(1)
gdzie – średnia arytmetyczna pomiarów .
Wartości funkcji przenoszenia drgań wyznacza się na podstawie zależności (2)
(
) (2)
gdzie: jest realizacją przez laboratoryjny układ generowania drgań
sygnału
Funkcja jest wyznaczana przy wymuszeniu monoharmonicznym dla częstotliwości
z zakresu pracy układu redukcji drgań. W przypadku układów nieliniowych funkcja ta jest
też zależna od amplitudy wymuszenia .
Do oceny zawieszeń można również wyznaczyć charakterystyki pomocnicze
obrazujące ruch masy niewibroizolowanej lub samej części aktywnej. Wówczas sygnałem
wyjściowym jest przemieszczenie masy niewibroizolowanej, a sygnałem wejściowym
przemieszczenie wynikające z nierówności drogi lub też – w przypadku oceny części
aktywnej – jest przemieszczeniem masy wibroizolowanej, a przemieszczeniem
masy niewibroizolowanej. Dla układów liniowych obliczenie wartości sprowadza się do
wyznaczenia współczynników przenoszenia drgań podanych w decybelach dla różnych
częstotliwości wymuszeń.
Jako kryterium jakości służące do oceny komfortu jazdy, jak i skuteczności redukcji
drgań testowanego zawieszenia zaproponowałem wskaźnik wyznaczany na podstawie
zależności (3)
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 15 z 40
∫ (|
|)
(3)
gdzie: – transformata Fouriera sygnału wyjściowego,
– transformata Fouriera sygnału wejściowego.
Charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe układów redukcji drgań wygodnie
jest prezentować w skali decybelowej. W związku z tym zaproponowałem zagregowany
wskaźnik jakości w postaci wartości średniej funkcji przenoszenia drgań wyrażonej
w decybelach (3) (współczynnik efektywności redukcji drgań, Vibration Reduction Efficiency
Indicator VREI). Wówczas wskaźnik wyrażany jest również w decybelach. Uśredniania
dokonuje się w zakresie rozpatrywanych częstotliwości od do .
Dla układów wibroizolacji wykres funkcji przenoszenia drgań powinien znajdować się
poniżej osi odciętych (0 dB) i powinien przyjmować jak najmniejsze wartości.
W rozpatrywanych przypadkach zawieszeń rozważa się, w jaki sposób drgania wywołane
nierównościami drogi przenoszone są na drgania masy wibroizolowanej.
Do oceny przenoszenia drgań poprzez połączenia elementów konstrukcyjnych
zastosowałem funkcję koherencji. Funkcję koherencji (funkcję spójności) pomiędzy sygnałem
wyjściowym i sygnałem wejściowym zdefiniowano wzorem (4)
(4)
gdzie: – wzajemna gęstość widmowa mocy,
, – gęstość widmowa mocy sygnałów i .
Funkcja (4) jest częstotliwościowym współczynnikiem korelacji pomiędzy sygnałami
i . Przyjmuje ona wartości z przedziału [0, 1]. W przypadku, gdy jej wartość równa jest 0,
to sygnały i są niezależne względem siebie, oznacza to brak połączenia elementów
konstrukcji. Dla wartości równej 1 sygnał wyjściowy jest liniową kombinacją sygnału
wejściowego co oznacza połączenie elementów konstrukcji. Jeżeli wartość funkcji
koherencji jest większa od zera, ale mniejsza od jedności, to występuje co najmniej jeden
z trzech przypadków:
1. wyniki pomiarów są obarczone błędem wynikającym z obecności zakłóceń,
2. układ wiążący ze sobą sygnały i jest nieliniowy,
3. sygnał wyjściowy jest wynikiem oddziaływania sygnału wejściowego
i innych nie uwzględnionych sygnałów wejściowych.
Ocenę funkcji koherencji otrzymuje się na podstawie wyznaczonych estymat gęstości
widmowych mocy i gęstości widmowych wzajemnych.
Do oceny zawieszeń pojazdów kołowych w pracy [5] zdefiniowałem kolejne wskaźniki
jakości. Jak wspomniano wcześniej, podstawowym wskaźnikiem jakości stosowanym do
oceny układów redukcji drgań jest współczynnik przenoszenia drgań. Współczynnik ten,
będący ilorazem przemieszczeń, rozpatrywany w funkcji częstości definiowany jest jako
przemieszczeniowa funkcja przenoszenia drgań . Ze względu na występujące zjawiska
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 16 z 40
nieliniowe, w artykule [5] zaproponowałem wyznaczenie tej funkcji na podstawie odchyleń
standardowych (5) sygnałów wejściowego i wyjściowego zgodnie z zależnością (6).
√
∫
, √
∫
(5)
gdzie: – odpowiedź układu (przemieszczenie - masy wibroizolowanej) na wymuszenie
monoharmoniczne ,
, – odchylenia standardowe sygnałów wejściowego i wyjściowego
.
(6)
Zdefiniowana wzorem (6) funkcja jest zależna nie tylko od częstości , ale
również od amplitudy sygnału wymuszającego . W przypadku obiektu liniowego
zaproponowany wzór (6) sprowadza się do wyznaczenia modułu transmitancji i nie zależy od
amplitudy.
W celu oceny komfortu i skuteczności wibroizolacji zawieszeń pojazdów,
zastosowałem także przyspieszeniową funkcję przenoszenia drgań . Dla układów
nieliniowych funkcja ta oznaczona jest jako i zdefiniowana równaniem (7)
(7)
gdzie: , – odchylenia standardowe sygnałów prędkości wejściowej
i przyspieszenia wyjściowego .
Istotnym problemem w zawieszeniach są oddziaływania dynamiczne pojazdu na
drogę oraz utrzymanie kontaktu koła z nawierzchnią (ang. road holding). Do oceny tych
właściwości zastosowałem kryterium (docisku) ugięcia opony (tire deflection)
zdefiniowane zależnością (8)
(8)
gdzie – odchylenie standardowe sygnału przemieszczenia koła względem sygnału
przemieszczenia wejściowego ,
– przemieszczenie bezwzględne wymuszenia (sygnału wejściowego),
– przemieszczenie bezwzględne koła.
Dzięki temu wskaźnikowi można ocenić docisk koła do nawierzchni drogi. Jest to istotne dla
współczesnych systemów bezpieczeństwa pojazdu takich, jak: ABS, ESP, EBD itp., które
wymagają stałego kontaktu koła z nawierzchnią. Do oceny jakości części zawieszenia
z pominięciem właściwości dynamicznych koła, zastosowałem również funkcję (rattle
space) daną równaniem (9). Funkcja ta jest miarą zmienności prześwitu
(9)
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 17 z 40
gdzie – odchylenie standardowe sygnału przemieszczenia zawieszenia względem
przemieszczenia koła .
Analogicznie, jak w przypadku funkcji przenoszenia drgań, definicje przyspieszeniowej funkcji
przenoszenia drgań, ugięcia opony oraz zmienności prześwitu, zdefiniowano dla przypadków
obiektów nieliniowych (wzory (7) - (9)).
Do porównania zapotrzebowania na energię z zewnętrznego źródła zasilania przez
aktywne elementy wykonawcze zaproponowałem wskaźnik zapisany zależnościami (10)
i (11)
∫
(10)
gdzie: – moc chwilowa pobierana przez element aktywny z układu zasilania,
zamieniana na pracę tego układu i ukierunkowana na redukcję drgań.
Wskaźnik ten jest równy średniej mocy chwilowej dostarczanej przez układ zasilający do
aktywnego układu wykonawczego w okresie badań . Wartość średnia mocy jest
proporcjonalna do pracy wykonanej przez układ aktywny w okresie oddziaływania sygnału
wymuszającego . W przypadku, gdy sygnał zakłócający dla badanych układów
będzie taki sam, na podstawie wyznaczonej średniej mocy można dokonać porównania
świadczącego o ich zapotrzebowaniu na energię zewnętrzną (W= ). Badany układ
rozumiany jest jako konkretna struktura sterowana konkretnym regulatorem.
Moc chwilowa pobierana z hydraulicznego układu zasilającego jest wprost
proporcjonalna do wartości masy wibroizolowanej. W celu porównania rozważanych
układów aktywnych pod względem energetycznym wprowadziłem dwa dodatkowe wskaźniki
wyrażane w W/kg: pierwszy związany z mocą średnią - jako iloraz mocy do masy (power-to-
weight ratio) i drugi związany z mocą maksymalną. Współczynniki te umożliwiają
porównanie zużycia energii aktywnych układów redukcji drgań w przypadku różnych mas
wibroizolowanych. Iloraz mocy średniej i masy (average power-to-weight ratio)
zdefiniowano wzorem (11)
(11)
gdzie: – masa wibroizolowana.
Analogicznie zdefiniowałem wskaźnik określający iloraz mocy maksymalnej i masy
(max power-to-weight ratio) .
Synteza praw sterowania dla wybranych zawieszeń
Regulatory PID są najczęściej stosowanymi regulatorami w przemysłowych układach
automatyki. W przypadku układów sterowania wykorzystujących te regulatory, uzyskane
wyniki są podstawą porównania z innymi bardziej zaawansowanymi metodami sterowania.
Jednak w procesie syntezy sterowania z regulatorem PID nie można uwzględnić parametrów
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 18 z 40
energetycznych takich, jak zapotrzebowanie na energię zewnętrzną lub aktualnie dostępną
moc. W przedstawionych pracach regulator ten zastosowano w celach porównawczych.
Jedną z zaproponowanych przeze mnie metod syntezy regulatora stosowaną do
układów sterowania drganiami i przedstawioną pracach cyku jednotematycznego jest
sterowanie modalne. Sterowanie modalne zapewnia zarówno konieczny zapas stabilności,
jak i odpowiednie ukształtowanie charakterystyk częstotliwościowych. Metoda ta stanowi
uogólnienie dla technik bazujących na koncepcji zgodnie z którą sterowanie układem może
być osiągnięte poprzez kontrolowanie modów układu. Jednym z przykładów tej techniki jest
metoda lokowania biegunów. Dla układów MIMO sprowadza się ona do lokowania wartości
własnych układu zamkniętego. Metoda przesuwania biegunów pozwala na wybór
częstotliwości drgań własnych i bezwymiarowych współczynników tłumienia. W układach
redukcji drgań są to parametry kluczowe, zatem metoda ta pozwala na kształtowanie
charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej zamkniętego układu regulacji już na etapie
jego syntezy.
W pracach [3,4] syntezy sterowania dla regulatora modalnego dokonałem na
podstawie autorskich reguł wyboru wartości własnych zamkniętego układu sterowania
drganiami. Zdefiniowałem reguły wyboru wartości własnych układu zamkniętego dla
aktywnych zawieszeń pojazdów.
Zaproponowane reguły wyboru wartości własnych sterowanego układu redukcji
drgań. Wartości własne układu po zamknięciu pętli sprzężenia zwrotnego powinny zmienić
właściwości dynamiczne tak, aby spełnione były następujące warunki:
Funkcja przenoszenia drgań powinna przyjmować możliwie jak najmniejsze wartości. Dla
zawieszeń pojazdów wartości te powinny znajdować się poniżej linii –20 dB. Drgania
powstałe w wyniku oddziaływań dynamicznych, spowodowane nierównościami drogi
zredukowane dziesięciokrotnie (–20 dB) będą miały tak małą amplitudę, że mogą być
zredukowane, np. poprzez zastosowanie pasywnych elementów takich, jak: gąbka
(fotel), wibroizolatory gumowe.
Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa (dla zawieszenia – funkcja
przenoszenia drgań) powinna być gładka, bez widocznych pasm wzmocnienia lub
tłumienia.
Częstotliwości drgań własnych układu zamkniętego należy wybrać tak, aby możliwie
ominąć dominujące częstotliwości drgań sygnału wymuszającego.
Dominująca częstotliwość drgań własnych powinna być jak najniższa (poniżej 2 Hz) przy
jednoczesnym dużym tłumieniu. Bezwymiarowy współczynnik tłumienia powinien być
bliski 1.
Aby spełnić powyższe warunki zaproponowałem rozwiązanie umożliwiające
wyznaczenie wartości własnych układu na podstawie wybranej charakterystyki
amplitudowo-częstotliwościowej. Przedstawiona w pracach [3,4] metoda syntezy praw
sterowania jest nowatorska dla aktywnych układów redukcji drgań. Bazuje ona na
wielomianach Bessela, które wykorzystuje się często przy projektowaniu filtrów. Ponieważ
z rozwiązania wielomianu Bessela uzyskuje się równanie filtru, np. dolnoprzepustowego, to
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 19 z 40
początek charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowej będzie przebiegał wzdłuż prostej
równej 0 dB. Dla układów redukcji drgań charakterystyka taka, jak dla filtru
dolnoprzepustowego jest dopuszczalna, ale po obniżeniu jej np. o 20 dB. Można również
zadbać o to, aby przez korekcję wartości własnych zmniejszyć przenoszenie drgań w paśmie
przedrezonansowym (układu otwartego). Zatem metoda wielomianu Bessela służy tylko do
wstępnego wyboru biegunów układu zamkniętego, a ostateczny wybór ich położenia zależy
od znajomości obiektu i doświadczenia projektanta. W celu wyznaczenia pierwiastków
równania charakterystycznego układu zamkniętego skorzystałem z zależności
geometrycznych (12) na płaszczyźnie zespolonej i wyznaczyłem pierwiastki równania
charakterystycznego na podstawie założonych bezwymiarowych współczynników tłumienia
i częstotliwości drgań własnych :
( )
(12)
Znając wymagane pierwiastki równania charakterystycznego wyznacza się
współczynniki wielomianu charakterystycznego układu zamkniętego do z zależności
(13)
(13)
Wektor wzmocnień dla regulatora modalnego wyznaczyć należy na podstawie
równania (14)
(14)
Elementy wektora wyznaczane są na podstawie współczynników wielomianów
charakterystycznych układu otwartego do i zamkniętego do oraz macierzy .
Macierz jest nieosobliwą macierzą podobieństwa, która przekształca równania stanu do
postaci kanonicznej sterowalnej.
Drugą metodą proponowaną przeze mnie w pracach związanych z układami
sterowania drganiami jest sterowanie optymalne. W układach z regulatorami optymalnymi
zużycie energii uwzględniane jest poprzez sformułowanie odpowiedniego wskaźnika jakości.
Wskaźnik ten, oprócz zmiennych stanu, uwzględnia sygnał sterujący. Można założyć, że moc
pobierana z zewnętrznego źródła zasilania jest proporcjonalna do mocy sygnału sterującego.
Dobierając odpowiednio współczynniki wagowe mamy pośredni wpływ na energię zużywaną
przez układ aktywny.
Synteza regulatora optymalnego dla układu sterowania drganiami polega na
rozwiązaniu zadania optymalizacji dynamicznej dla obiektu opisanego równaniami
różniczkowymi. Najczęściej stosowanym regulatorem optymalnym jest regulator liniowy
z kwadratowym wskaźnikiem jakości (LQR). Rozwiązania zadań optymalizacji dynamicznej LQ
mają szereg cennych własności dla układów sterowania drganiami:
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 20 z 40
Wyznaczone sterowania są kompromisowe ze względu na przeciwstawne wymagania
– minimalizacja odchylenia sygnałów wyjściowych od pożądanego przebiegu oraz
równoczesna minimalizacja „energii wejściowej” dostarczanej do systemu.
W przypadku układów sterowania drganiami wyznaczone prawa sterowania
uwzględniają kompromis pomiędzy przeciwstawnymi ocenami – np. minimalizacja
przyspieszenia masy wibroizolowanej, stały prześwit, stały docisk koła do nawierzchni
– oraz równoczesna minimalizacja zużycia energii zewnętrznej.
Optymalny sygnał sterujący zależy liniowo od wektora stanu i wobec tego sterowanie
może być realizowane na bieżąco w układzie sprzężenia zwrotnego przy niewielkich
wymaganiach w stosunku do mocy obliczeniowej sterownika. Algorytmy
rozwiązywania problemu liniowo-kwadratowego są szybkozbieżne i mało wrażliwe na
błędy zaokrągleń. Daje to możliwość adaptacji wzmocnień regulatora do parametrów
obiektu w czasie rzeczywistym. W przypadku, gdy model obiektu uwzględnia
parametry zawieszenia oraz drogi, można wykorzystać tę cechę do adaptacyjnego
strojenia nastaw regulatora do zmieniających się parametrów drogi.
Regulator optymalny może być zrealizowany w technice analogowej lub cyfrowej dla
praktycznie dowolnej liczby: zmiennych sterujących, zmiennych stanu lub wyjść.
W nowoczesnych systemach sterowania coraz częściej napotkać można układy FPGA
(Field Programmable Gate Array) współpracujące z układami FPAA (Field
Programmable Analog Array). Układy FPAA są oparte o konfigurowalne bloki
analogowe CAB (Configurable Analog Block). Reprogramowalne układy analogowe
służą do realizacji sterowania w sposób ciągły. Technika ta umożliwia pominięcie
procesu dyskretyzacji w procesie sterowania. Ze względu na strukturę CAB, na którą
składają się wzmacniacze operacyjne, klucze analogowe, rezystory i kondensatory
o nastawialnej programowo wartości, można dostosowywać wzmocnienia regulatora
optymalnego do aktualnego pasma zakłóceń (np. zmieniającego się profilu drogi).
Dla układów sterowania drganiami z nieliniowymi elementami wykonawczymi często
stosuje się liniowe przybliżenie ich modeli do syntezy prawa sterowania. Dzięki
minimalizacji wyrazów zależnych w kwadracie od sygnału sterującego i zmiennych
stanu, można zapewnić poprawność liniowej aproksymacji systemu nieliniowego.
W przypadku regulatora LQR w pracy [4] minimalizowany wskaźnik jakości zapisałem
za pomocą równania (15)
∫
(15)
Macierze i dobrałem eksperymentalnie w trakcie badań laboratoryjnych, uwzględniając
kompromis pomiędzy efektywną redukcją drgań a minimalnym zapotrzebowaniem na
energię zewnętrzną. Dobór macierzy wagowych uwzględniał również ograniczenia związane
z zakresem sygnału sterującego serwozaworem hydraulicznym.
Wymienione wcześniej zalety sprawiają, że zastosowanie regulatora optymalnego
z kwadratowym wskaźnikiem jakości jest uzasadnione dla realizacji sterowania
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 21 z 40
w rozważanych strukturach mechanicznych. Szczególnie istotnym staje się fakt, iż w syntezie
regulatora można uwzględnić ograniczenie na moc sygnału sterującego, a trajektoria stanu
pozostaje optymalna. Jednak w procesie jego syntezy nie można uwzględnić zapasu
stabilności.
W moich pracach głównym celem sterowania jest minimalizacja odchylenia sygnału
wyjściowego (przemieszczenia lub przyspieszenia masy wibroizolowanej) od pożądanego
przebiegu (w tym wypadku zadana wartość stała prześwitu). Równorzędnym celem jest
osiągnięcie zadanej redukcji drgań przy minimalnym wydatku energetycznym.
W pracy [5] przeprowadziłem dalsze badania struktury slow-active sterowanej
regulatorem LQ ze szczególnym uwzględnieniem wskaźników danych wzorami (6) – (9).
Oceny zawieszenia dokonuje się w oparciu o wiele – często przeciwstawnych – wskaźników.
Na potrzeby syntezy regulatora LQ przyjąłem całkowy, kwadratowy wskaźnik jakości
zapisany wzorem (16)
∫
(16)
Jest on wyznaczony jako średnia ważona kryteriów jakości odpowiadających wskaźnikom
(6) – (9) i energii sygnału sterującego (przemieszczeniowa funkcja przenoszenia drgań (6),
przyspieszeniowa funkcja przenoszenia drgań (7), ugięcie opony (8), prześwit (9), energia
sygnału sterującego). Dla potrzeb syntezy regulatora przyjąłem, że miarą energii zużywanej
przez układ aktywny jest energia sygnału sterującego. Ograniczenie zakresu sygnału
sterującego realizuje się poprzez dobór wagi .
Regulatory wyznaczałem dla różnych zestawów wartości wag (16),
odpowiadających poszczególnym kryteriom oceny układu wibroizolacji. Zastosowana
w pracy [5] metoda syntezy prawa sterowania bazuje na liniowym modelu obiektu, dlatego
też do syntezy zastosowałem model zlinearyzowany.
W artykule [6] wskaźnik jakości dla regulatora LQ zdefiniowałem również jako średnią
ważoną wskaźników, odpowiadających wybranym kryteriom oceny układów wibroizolacji.
Jako punkt pracy przyjąłem punkt równowagi dla struktury szeregowej. W tym przypadku
punkt ten zależy od wartości masy wibroizolowanej, która może się zmieniać w zależności od
masy operatora, ładunku etc. W szczególności zmianie ulega wartość różnicy ciśnień w
komorach siłownika oraz wartość sygnału sterującego serwozaworem (w punkcie
równowagi). Różnica ciśnień musi kompensować masę wibroizolowaną np. masę pojazdu,
ładunku lub operatora. Sygnał sterujący serwozaworem jest sumą sygnału wyznaczonego
z regulatora LQ oraz sygnału wynikającego z punktu pracy. W celu umożliwienia kompensacji
tego sygnału dla różnych mas, wyznaczyłem analitycznie punkt równowagi (pracy) dla
rozważnej struktury szeregowej.
Podstawiając do wskaźnika jakości (16) przyjęte dla modelu liniowego zmienne stanu
otrzymałem wskaźnik (17)
∫ (
)
(17)
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 22 z 40
W pracy [8] do syntezy sterowania zastosowałem regulator optymalny (clipped-LQR)
ograniczony do możliwości związanych z właściwościami elementu wykonawczego. Więcej
szczegółów dotyczących układu sterowania drganiami z regulatorem clipped-LQR
przedstawiłem w części autoreferatu dotyczącej badań laboratoryjnych.
Wyniki badań laboratoryjnych wybranych struktur sterowanych zawieszeń
W celu oceny właściwości kinematycznych i energetycznych sterowanych struktur
dynamicznych zaproponowałem metodykę badań laboratoryjnych z wykorzystaniem modelu
fizycznego rozważanej struktury. Zaprezentowane w cyklu jednotematycznym techniki
badawcze mogą być zastosowane również do badań niesterowanych układów redukcji
drgań. Przedstawione w moich pracach badania polegają na poddaniu modelu fizycznego
rozważanego obiektu wymuszeniom siłowym lub kinematycznym. Zastosowane wymuszenia
mają charakter rzeczywisty dla danego obiektu bądź ściśle testowy, np. wymuszenie losowe
o zadanej funkcji gęstości widmowej mocy, monoharmoniczne, itp. Ocena badanego układu
sterowania drganiami odbywa się poprzez porównanie opracowanych wskaźników jakości
wyznaczonych na podstawie sygnałów – zarówno eksperymentalnych (na podstawie badań
z wykorzystaniem modelu fizycznego), jak i uzyskanych na drodze symulacji numerycznej
modelu matematycznego rozpatrywanego obiektu.
Do realizacji badań eksperymentalnych rozważanego systemu sterowania drganiami
zgodnie z zaproponowaną metodą wymagana jest budowa układów pomiarowych
i sterujących dla wzbudnika drgań realizującego żądane wymuszenia oraz dla badanych
systemów sterowania drganiami. Ze względu na zastosowaną strukturę sprzętową oraz
architekturę programową, zadania sterowania i pomiaru różnią się organizacją danych
pomiarowych. Zestaw danych pomiarowych do analizy dynamiki badanego obiektu zawiera
kilka do kilkunastu kanałów pomiarowych, a sygnały do identyfikacji parametrycznej
wymagają krótkich okresów próbkowania. W celu optymalizacji prędkości przesyłu dużej
ilości danych między kartami pomiarowymi a kontrolerem systemu pomiarowego
zastosowałem transmisję uwzględniającą kolekcjonowanie danych w bloki. Natomiast dla
zadań sterowania z deterministycznym okresem próbkowania, pomiar i generacja sygnałów
wyjściowych muszą być realizowane punkt po punkcie z uwzględnieniem czasu niezbędnego
do realizacji algorytmu sterującego.
Poniżej zdefiniowałem sześć zadań, wytypowanych do wykonania przez układ
pomiarowo-sterujący systemu sterowania drganiami w odrębnych wątkach programowych.
Zadania do realizacji przez układ pomiarowo-sterujący systemu sterowania drganiami:
Zadania podstawowe:
Sterowanie w czasie rzeczywistym (tory sterowania o ściśle określonych zależnościach
czasowych pomiędzy wejściami a wyjściami sprzętowymi),
Pomiar i akwizycja danych (różne czasy przetwarzania, różne rodzaje wejść).
Zadania dodatkowe:
Przetwarzanie sygnałów,
Monitorowanie zmiennych istotnych dla danego procesu,
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 23 z 40
Komunikacja z urządzeniami zewnętrznymi,
Wyliczanie i generowanie wartości zadanej dla wymuszeń kinematycznych lub siłowych.
Wymienione powyżej zadania mają różne priorytety, czasy realizacji oraz złożoność
obliczeniową. Jedne z nich muszą być realizowane cyklicznie ze ścisłym czasem wykonania,
w innych przypadkach ten czas może się zmieniać i nie jest parametrem krytycznym.
Uwzględniając wyżej wymienione wymagania, zadania podzielono na grupy o takich
samych priorytetach i czasach realizacji cyklu. Dzięki takiemu podejściu poszczególne zadania
umieściłem na platformach sprzętowych najbardziej odpowiednich dla ich typu, priorytetu
czy czasu wykonania. Ponadto podział zadań na grupy umożliwił ich realizację w odrębnych
pętlach (wątkach) programowych z odpowiednio dobranym czasem wykonania cyklu.
Jako platformy obliczeniowe stosowałem układ FPGA, komputer z kontrolerem czasu
rzeczywistego oraz komputer PC pełniący rolę wirtualnego pulpitu sterowniczego. Układ
FPGA realizuje zadania: krytyczne i najszybsze ze względu na czas wykonania oraz związane
z bezpieczeństwem. Dzięki zastosowaniu FPGA algorytmy wykonywane są w sposób
sprzętowy. Takie rozwiązanie charakteryzuje się dużą niezawodnością i szybkością działania
układu sterowania. Wadą tego rozwiązania jest ograniczenie ze względu na złożoność
realizowanych algorytmów oraz związane z dostępnymi typami danych (np. boolowskie,
całkowite, stałoprzecinkowe). Ograniczone zasoby sprzętowe układu FPGA nie pozwalają na
realizację: bardziej zaawansowanych algorytmów sterowania, przetwarzania sygnałów oraz
generowania sygnałów wymuszających.
Dlatego też do realizacji bardziej zaawansowanych zadań wymagających operacji na
liczbach zmiennoprzecinkowych zaproponowałem kontroler pracujący pod systemem
operacyjnym czasu rzeczywistego. Zaletą tego rozwiązania jest to, że można realizować
bardzo złożone algorytmy wymagające dużej mocy obliczeniowej, jednak istnieje
niebezpieczeństwo, że system operacyjny opóźni proces sterowania przez realizację innych
zadań np. obsługę pozostałych wątków. Dlatego podstawowym zadaniem tego systemu jest
akwizycja danych pomiarowych z zastosowaniem bufora sprzętowego i wykorzystaniem
wielu modułów różniących się pod względem sprzętowym. W przypadku korzystania z więcej
niż jednego modułu pomiarowego zachodzi konieczność ich synchronizacji z użyciem
systemu trigerów. Dodatkową funkcjonalnością opracowanego systemu jest moduł
planowania eksperymentu.
Do sterowania generatorem wymuszeń, zadawania parametrów wymuszenia,
obserwacji stanu wzbudnika oraz reakcji na stany awaryjne wykorzystuje się graficzny
interfejs użytkownika. Interfejs ten realizowany jest na komputerze PC lub innych panelach
operacyjnych umieszczonych na różnych platformach sprzętowych komunikujących się ze sobą.
W trakcie badań laboratoryjnych zaprezentowanych w pracach [3–7] mierzyłem
sygnały przemieszczeń i przyspieszeń mas wibroizolowanej i niewibroizolowanej oraz sygnał
wymuszający dla układów sterowanych różnymi regulatorami. Oprócz wymienionych
powyżej wielkości zarejestrowałem również pozostałe sygnały uzupełniające wektory stanu
oraz dodatkowo przyspieszenia poszczególnych mas rozważanej struktury. Ponadto – w celu
porównania zależności energetycznych dla badanych układów – obliczałem moc chwilową
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 24 z 40
pobieraną ze źródła zasilania na podstawie pomiaru ciśnienia zasilania w hydraulicznym
układzie aktywnym oraz objętościowego natężenia przepływu cieczy roboczej pomiędzy
układem zasilania a zespołem aktywnym.
Zarejestrowane przebiegi czasowe sygnałów przemieszczenia umożliwiły wyznaczenie
odpowiedzi częstotliwościowych. Na tej podstawie obliczyłem przemieszczeniowe funkcje
przenoszenia drgań z wejścia zakłócającego na wyjście, którym jest przemieszczenie masy
wibroizolowanej.
Moje badania nad sterowanymi układami redukcji drgań pokazały, iż efektywność
wibroizolacji – a zatem skuteczność zastosowania danego prawa sterowania – w dużym
stopniu jest zależna od energii zużytej przez element aktywny. Energia ta zależy od rodzaju
zakłócenia, ale również jest funkcją przyjętego prawa sterowania. Przy syntezie sterowania
niektóre techniki w mniejszym lub większym stopniu umożliwiają kontrolę zużycia energii
przez układ aktywny. W celu oceny zapotrzebowania na energię zaproponowałem
energetyczne wskaźniki oceny aktywnych zawieszeń. Ocena ta dokonywana jest na
podstawie zarejestrowanych przebiegów czasowych mocy chwilowej pobieranej przez układ
aktywny z zewnętrznego źródła zasilania. Dodatkowo wyznaczyłem średnią moc pobieraną
ze źródła zasilania przez zespół aktywny.
W pracy [4] dokonałem porównania wyników badań laboratoryjnych dla różnych
struktur aktywnych zawieszeń pojazdów sterowanych regulatorami modalnym oraz
optymalnym. Porównanie to dotyczy zarówno funkcji przenoszenia drgań jak i przebiegów
czasowych mocy chwilowej (przy takim samym wymuszeniu dla obu struktur). W pracy tej
dla łatwiejszej oceny porównawczej wyznaczyłem również zagregowane wskaźniki jakości
(3), (10) i (11).
W celu określenia efektywności struktury szeregowej dla przeciwstawnych
wskaźników, w artykule [5] wyznaczyłem regulatory rozwiązując zadanie optymalizacji dla
wskaźnika jakości określonego wzorem (17). Oceny jakości zawieszenia dokonałem w trakcie
badań laboratoryjnych układów wibroizolacji z regulatorami wyznaczonymi dla różnych
zestawów współczynników wagowych . Dla każdego z układów wyznaczyłem
przemieszczeniowe i przyspieszeniowe funkcje przenoszenia drgań oraz przebiegi czasowe
mocy chwilowej pobieranej z zewnętrznego źródła zasilania. Przeprowadziłem również
analizę takich kryteriów oceny zawieszeń pojazdów, jak funkcja zmienności prześwitu (rattle
space) oraz ugięcia opony (tired deflection). W celu wyznaczenia tych funkcji, układy redukcji
drgań pobudzałem sygnałem sinusoidalnym o liniowo narastającej częstotliwości.
Mój udział w realizacji pracy [5] polegał na: sformułowaniu wskaźników oceny
efektywności układu redukcji drgań, udziale w modelowaniu zastosowanej struktury
zawieszenia typu slow-active, budowie modelu fizycznego rozważanej struktury, syntezie
prawa sterowania, badaniach laboratoryjnych, implementacji zastosowanych praw
sterowania na sterownik czasu rzeczywistego oraz opracowaniu i analizie otrzymanych
wyników.
W kolejnej pracy [6] wchodzącej w skład jednotematycznego cyklu publikacji,
rozważyłem problem optymalnego sterowania obiektów zakłócanych sygnałami
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 25 z 40
sinusoidalnymi dla nieskończonego czasu sterowania. Do oceny prawa sterowania
zaproponowałem zmodyfikowany uśredniony kwadratowy wskaźnik jakości z nieskończonym
czasem sterowania. Jest on oparty na zaproponowanej metodzie rozkładu sygnałów
sterujących w przedziale od zera do nieskończoności na sumę składowych sinusoidalnych
o wybranych częstotliwościach oraz dodatkowym sygnale pomocniczym. Częstotliwości te
odpowiadają częstotliwościom zewnętrznych wymuszeń sinusoidalnych. Wskaźnik
sformułowano w taki sposób, aby każdej składowej sinusoidalnej odpowiadała odrębna
macierz wagowa. Dzięki temu uzyskałem możliwość zróżnicowania ograniczeń
energetycznych nakładanych na sygnały sterujące w zależności od częstotliwości. Ponieważ
taki rozkład nie zawsze jest możliwy, scharakteryzowano klasę sygnałów sterujących, dla
których jest on poprawnie określony. Zaproponowany wskaźnik jakości wykorzystałem do
sformułowania zadania optymalizacji z nieskończonym czasem sterowania dla systemów
liniowych z wymuszeniami sinusoidalnymi. Wyznaczyłem rozwiązanie optymalne
postawionego zadania optymalizacji. Sterowanie optymalne wybrałem w taki sposób, aby
nie było ono zależne od wektora stanu i warunków początkowych, a zależało tylko
i wyłącznie od wektora sygnałów wymuszających. Opracowałem oryginalną metodę syntezy
układu sterowania ze zmodyfikowanym wskaźnikiem jakości. W celu weryfikacji
przedstawionych rozważań przeprowadziłem syntezę regulatora dla zawieszenia pojazdu
o strukturze szeregowej. Przedstawiłem wyniki badań symulacyjnych i laboratoryjnych
zaprojektowanego aktywnego zawieszenia pojazdu.
Istotną wadą większości znanych rozwiązań aktywnych układów redukcji drgań jest
ich duża energochłonność, stanowiąca w wielu przypadkach barierę szerszego ich
stosowania. Dlatego też opracowałem układ, w którym część energii drgań jest
regenerowana i – zamiast zamiany na ciepło – magazynowana w celu późniejszego
wykorzystania. Taki układ zawieszenia dzięki swojej hybrydowej budowie zapewnia mniejsze
zużycie energii zewnętrznej, która musi być doprowadzona do układu dla uzyskania
skutecznej wibroizolacji. W oparciu o doświadczenie zdobyte w ramach projektu
badawczego zaprojektowałem i wykonałem aktywne zawieszenie, którego głównym źródłem
zasilania jest specjalnie wykonany zasilacz hydrauliczny napędzany energią masy drgającej,
dla której wysoka skuteczność wibroizolacji nie jest konieczna. Niedobory energii są
uzupełniane z niezależnego, osobnego źródła zasilania. W tym celu zaprojektowałem
i wykonałem układ zarządzania energią.
W literaturze brak jest informacji na temat zależności pomiędzy energią odzyskiwaną
i potrzebną do niezależnego sterowania aktywnego, zwłaszcza w aspekcie wymuszeń o tym
samym charakterze spektralnym. W układach regeneracji energii mechanicznej układów
drgających bardzo istotny wpływ na ilość odzyskiwanej energii mają wartości amplitud i
częstotliwości wymuszeń. Podobne znaczenie mają wymuszenia w sterowanych układach
redukcji drgań – zwłaszcza w kontekście optymalizacji algorytmów. W światowych
rozwiązaniach najczęściej można spotkać prace związane z elektrodynamicznymi i
piezoelektrycznymi układami odzyskiwania energii układów drgających. Układy te stosowane
są do drgań o małych amplitudach i dużych częstotliwościach.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 26 z 40
W artykule [7] zaprezentowałem układ sterowanego zawieszenia zapewniający
efektywny odzysk energii układów drgających oraz jej magazynowanie w akumulatorach
hydraulicznych. Energia ta wraz z energią pochodzącą z innych źródeł służy do zasilania
elementu wykonawczego części aktywnej zawieszenia. Praca [7] została wykonana w ramach
projektu badawczego pt. „Elektrohydrauliczne układy aktywnej redukcji drgań
mechanicznych wykorzystujące energię mas niewibroizolowanych” (nr 5 T07C 023 22),
którego byłem pomysłodawcą i głównym wykonawcą.
Badania układów z odzyskiem energii prowadzone są od lat a przewodnie nurty
badawcze obejmują zespoły z aktuatorami elektrodynamicznymi i piezoelektrycznymi.
W omawianej pracy zarówno do aktywnej redukcji drgań mechanicznych, jak i do odzysku
energii zastosowałem siłowniki elektrohydrauliczne.
Wykonane przeze mnie badania wykazały, iż częstotliwości wymuszenia większe od
dominującej częstotliwości rezonansowej prowadzą do efektywniejszego ładowania
akumulatora. Spowodowane to jest większym przesunięciem fazowym pomiędzy
wymuszeniem a przemieszczeniem masy nieresorowanej. Duże przesunięcie fazowe
(zbliżone do 180°) prowadzi do zwiększenia przemieszczenia względnego. Podczas badań
eksperymentalnych wykorzystałem tę właściwość i jako wymuszenie zastosowałem sygnał
biharmoniczny złożony z dwóch dominujących częstotliwości. Celem sterowania była
redukcja amplitudy drgań. Amplituda drgań pierwszej (dominującej) harmonicznej
redukowana jest przez element aktywny, natomiast drgania o wyższych częstotliwościach
redukowane są przez przetwarzanie energii masy wibroizolowanej, która w układach
klasycznych zamieniana jest na ciepło. Na podstawie wyników badań stanowiskowych oraz
symulacji modelu matematycznego wyznaczyłem efektywne pasmo działania aktywnego
elementu wykonawczego.
Ilość energii zakumulowanej w układzie gromadzenia zależy od wielu czynników. Dla
testowanego układu zawieszenia główne z nich to:
stosunek masy resorowanej do masy nieresorowanej
,
zapotrzebowanie na energię dla układu aktywnego zawieszenia (parametr ten jest powiązany z masą i wymaganym pasmem częstotliwości, dla którego osiąga się redukcję drgań),
rodzaj sygnału wymuszającego, a zwłaszcza amplituda drgań dla częstotliwości większych od częstotliwości rezonansowej.
W ostatnich latach naukowcy opracowali wiele koncepcji aktuatorów, które można
zastosować jako elementy wykonawcze dla układów sterowania drganiami. Aktuatory te to
głównie: tłumiki magnetoreologiczne, sprężyny wykorzystujące efekt supersprężystości lub
aktuatory oparte o materiały piezoelektryczne. Elementy takie – nazywane często
inteligentnymi – oprócz wielu zalet posiadają szereg cech, które należy uwzględnić przy
syntezie prawa sterowania. Modele matematyczne stosowane do opisu materiałów
inteligentnych są na ogół nieliniowe. Nieliniowości te najczęściej powiązane są z efektem
histerezy. W swoich pracach postanowiłem wykorzystać zalety tych elementów, jednak
skutkuje to koniecznością uwzględnienia nieliniowości przy syntezie prawa sterowania.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 27 z 40
Praca [8] – wchodząca w skład cyklu – dotyczy sterowania zawieszeniem fotela
kierowcy za pomocą tłumika magnetoreologicznego. W artykule tym do sterowania
nieliniowym elementem wykonawczym z histerezą, zastosowałem zmodyfikowaną metodę
clipped LQR.
Materiały inteligentne znajdują coraz szersze zastosowanie w semi-aktywnych
układach redukcji drgań. Jak wspomniano wcześniej pominięcie zależności nieliniowych w
opisie matematycznym może prowadzić do mniej efektywnego sterowania a w rezultacie złej
jakości sterowanego układu redukcji drgań. Zatem istotne jest uwzględnienie tych
niekorzystnych zjawisk, związanych z elementami wykonawczymi na etapie syntezy
regulatora. Zaproponowaną w pracy [8] metodą wyznaczania prawa sterowania dla semi-
aktywnych układów wibroizolacji jest metoda clipped-LQR. Umożliwia ona zastosowanie
sterowania LQR do ograniczonych możliwości elementu wykonawczego, np. sterowanego
tłumika wiskotycznego. Tłumiki mogą tylko rozpraszać energię w układzie redukcji drgań. Za
pomocą tych elementów nie możemy dostarczać do układu energii, która wykorzystywana
jest na generowanie sił zamienianych na pracę elementu sterowanego. Energia dostarczana
jest do układu wyłącznie w celu zmiany parametru układu redukcji drgań, np. współczynnika
tłumienia. Energia w tym zakresie (I i III ćwiartka układu współrzędnych na charakterystyce
tłumika) jest zamieniana na ciepło. Zatem sterowanie za pomocą regulatora LQR musi być
ograniczone (przycięte – clipped) wyłącznie do zakresu możliwych sterowań, a więc zwrotu
siły reakcji przeciwnej do zwrotu prędkości względnej tłumika. Efektywność redukcji drgań z
zastosowaniem regulatora clipped-LQR jest ograniczona przez sam element wykonawczy.
Jednakże w przypadkach, gdy zużycie energii zewnętrznej nie może być zbyt duże – a jest
potrzeba sterowania drganiami – istnieje możliwość zastosowania optymalnego prawa
sterowania w ograniczonym zakresie. W omawianym artykule [8] zaproponowałem
modyfikację tej metody, umożliwiającą uwzględnienie w syntezie regulatora własności
histerezy oraz innych nieliniowości elementu wykonawczego. Modyfikacja ta polegała na
doborze optymalnego współczynnika wagowego dla sygnału sterującego – do danego układu
zawieszenia z uwzględnieniem: nieliniowości, jego parametrów oraz charakteru wymuszenia.
Weryfikację opracowanej metody przeprowadziłem wyznaczając regulator dla semi-
aktywnego zawieszenia fotela operatora maszyny roboczej. Semi-aktywny układ zawieszenia
sterowany zaproponowanym regulatorem clipped-LQR wykazał w całym zakresie
rozważanych częstotliwości lepszą skuteczność redukcji drgań w porównaniu do układu
pasywnego.
W artykule [9] zaproponowałem zastosowanie sprężyn, wykonanych ze stopu
z pamięcią kształtu (SMA), do formowania charakterystyk dynamicznych rezonansowego
przesiewacza wibracyjnego. Sprężyny te zmieniają sztywność na skutek zmiany ich
temperatury, zatem w czasie rzeczywistym można sterować częstotliwością rezonansową
przesiewacza. W artykule sformułowano opis matematyczny sterowanej sprężyny SMA
i zidentyfikowano jej parametry. W modelu uwzględniono zarówno zjawisko zmiany
sztywności sprężyny, jak i tłumienia w zależności od temperatury stopu oraz częstotliwości
drgań sprężyny. Przeprowadziłem badania eksperymentalne opracowanej sprężyny oraz
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 28 z 40
fizycznego modelu przesiewacza i zamieściłem wybrane charakterystyki. Dla rozważnego
układu sformułowano prawo sterowania. Przeprowadziłem badania symulacyjne
i laboratoryjne modelu przesiewacza w układzie otwartym i zamkniętym. Badania wykazały,
że opracowany układ regulacji kompensuje zmiany masy drgającej nawet o ±30%.
Zasadnicza część artykułu [10] dotyczy metody oceny stanu technicznego połączenia
konstrukcji nośnej podpory z jej fundamentem. Zaproponowana metoda polega na analizie
wyników pomiarów przyspieszenia elementów łączących fundament z podporą. Oceny
połączenia dokonuje się na podstawie wskaźników zaproponowanych i stosowanych
w jednotematycznym cyklu publikacji. W drugiej części pracy [10] zaprezentowałem wyniki
analiz dla przebadanych podpór uzyskane przed i po remoncie.
Długoletnia eksploatacja podpór kolei linowych oraz innych konstrukcji smukłych przy
zmiennych obciążeniach i mocno zróżnicowanych warunkach atmosferycznych może być
przyczyną: powstania ubytków w strukturze żelbetonowego fundamentu, korozji konstrukcji
stalowej lub poluzowania elementów mocujących. Okresowe badania mają na celu
wykrywanie tych uszkodzeń, nie dopuszczając do niebezpiecznej eksploatacji. Dużym
problemem przy wykrywaniu uszkodzeń jest brak dostępu do badanych elementów
i trudność wizualnej oceny połączenia podpory z fundamentem. Opisane w artykule [10]
badania dotyczą kompleksu złożonego z trzech odcinków kolei linowej z 62 podporami, który
był eksploatowany od 40 lat w Parku Kultury i Wypoczynku na Śląsku. Dalsza eksploatacja
kolei wymagała m.in. oceny stanu technicznego fundamentowania podpór. Wizualna ocena
tego stanu wykazała duże zużycie korozyjne podpór oraz ubytki w zewnętrznej warstwie
żelbetonowych fundamentów.
W celu wyselekcjonowania uszkodzonych podpór do remontu zaproponowałem
metodę opartą na pomiarze przyspieszenia. Mierzono równocześnie przyspieszenie każdego
fundamentu i podpory przy maksymalnym obciążeniu i nominalnej prędkości kolei. Podczas
badań sygnały przyspieszenia w wybranych punktach podpór i fundamentów rejestrowałem
specjalistycznym sprzętem pomiarowym. Przy poprawnym, czyli sztywnym połączeniu
fundamentu z podporą, otrzymane przebiegi czasowe przyspieszenia powinny być zgodne
w odniesieniu do amplitudy i fazy. W przypadku występowania luzów w ich połączeniu,
amplituda przyspieszenia podpory jest większa od amplitudy przyspieszenia fundamentu
a ponadto brak jest zgodności faz przyspieszeń. Osłabienie badanego połączenia
zaobserwowano również na charakterystykach gęstości widmowej mocy mierzonych
sygnałów. Zbyt duża rozbieżność między charakterystykami może oznaczać występowanie
luzów na tym połączeniu. Charakterystyka gęstości widmowej mocy umożliwia również
ocenę stanu technicznego połączenia w określonych przedziałach częstotliwości.
Przedstawione w omawianym artykule charakterystyki czasowe i amplitudowo-
częstotliwościowe nie dają oceny ilościowej, którą można uzyskać przy zastosowaniu funkcji
koherencji. W pracy [10] przeanalizowałem przebiegi czasowe i częstotliwościowe
przyspieszenia fundamentu i podpory dla szeregu podpór oraz wybranej podpory przed i po
remoncie.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 29 z 40
Zaproponowany sposób diagnozowania podpór kolei linowych metodą funkcji
koherencji w przedziale częstotliwości rezonansowych pozwala na szybką, tanią, nieniszczącą
i skuteczną ocenę stanu technicznego połączenia konstrukcji stalowej podpór z ich
fundamentami. Sposób ten sprawdził się w praktyce i uzyskał pozytywną ocenę
Transportowego Dozoru Technicznego (urzędu nadzorującego środki transportu w Polsce).
4.5. Indywidualny wkład wnioskodawcy w rozwój dyscypliny oraz udział
procentowy
Poniżej przedstawiono indywidualny wkład wnioskodawcy w rozwój dyscypliny
zawarty w poszczególnych pozycjach przedstawionego cyklu publikacji oraz udział
procentowy w ich przygotowaniu:
– W artykule [1].
Opracowanie modelu sterowanego tłumika hydraulicznego bazującego na bezwymiarowym
współczynniku tłumienia wiskotycznego, wyznaczanym z zależności energetycznych. Badania
laboratoryjne hydraulicznego tłumika sterowanego serwozaworem. Mój udział procentowy
w przygotowaniu artykułu [1] to 80%.
– W artykułach [1,2].
Opracowanie modeli aktuatorów przeznaczonych dla układów sterowania drganiami oraz ich
weryfikacja laboratoryjna.
– W artykułach [2,4].
Sformułowanie nieliniowego modelu hydraulicznego aktywnego zespołu wykonawczego
umożliwiającego modelowanie całych zespołów zawieszeń. Opracowanie metody linearyzacji
modelu w punkcie nieciągłości pierwszej pochodnej wzdłuż dopuszczalnych trajektorii
systemu (przy uwzględnieniu sygnałów rzeczywistych) dla celów syntezy prawa sterowania.
Zdefiniowanie wskaźników energetycznych do oceny układów sterowania drganiami. Mój
udział procentowy w przygotowaniu artykułu [2] to 100%.
– W artykule [3].
Wyznaczenie wpływu deficytu mocy na stabilność i własności dynamiczne zawieszenia typu
full-active sterowanego wybranymi regulatorami. Mój udział procentowy w przygotowaniu
artykułu [3] to 100%.
– W artykułach [3,4].
Synteza aktywnych układów sterowania drganiami dla wybranych struktur kinematycznych.
– W artykule [4].
Przeprowadzenie badań laboratoryjnych układów zawieszeń o różnych strukturach
kinematycznych w celu oceny i porównania ich własności dynamicznych oraz
energetycznych. Porównanie eksperymentalne możliwych do zastosowania w pojazdach
kołowych struktur kinematycznych slow-active i full-active sterowanych regulatorami
wyznaczonymi z użyciem tych samych metod. Opracowanie modeli sterowanych zawieszeń
pojazdów z uwzględnieniem nieliniowych właściwości elektro-hydraulicznego serwozaworu
przepływowego. Mój udział procentowy w przygotowaniu artykułu [4] to 65%.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 30 z 40
– W artykule [5].
Opracowanie prawa sterowania uwzględniającego efekty nieliniowości zawieszenia typu
slow-active w wyznaczonym analitycznie punkcie pracy zależnym od wartości masy
wibroizolowanej. Sformułowanie wskaźników oceny efektywności układu redukcji drgań oraz
- na tej podstawie - sformułowanie wskaźnika jakości niezbędnych do syntezy prawa
sterowania uwzględniającego przeciwstawne składniki. Modelowanie zastosowanej
struktury kinematycznej. Mój udział procentowy w przygotowaniu artykułu [5] to 30%.
– W artykule [6].
Współudział w opracowaniu nowego optymalnego prawa sterowania dla układów
z zakłóceniami sinusoidalnymi – ważony wielotonowy regulator optymalny WMOC (ang.
weighted multitone optimal controller). Implementacja regulatora WMOC dla struktury
szeregowej i przeprowadzenie badań laboratoryjnych wraz z oceną tej struktury na
podstawie zaproponowanych wskaźników. Mój udział procentowy w przygotowaniu artykułu
[6] to 25%.
– W artykule [7].
Opracowanie konstrukcji, budowa i badania laboratoryjne zawieszenia regeneracyjnego.
Synteza prawa sterowania hybrydowym układem redukcji drgań z odzyskiem energii. Mój
udział procentowy w przygotowaniu artykułu [7] to 75%.
– W artykule [8].
Opracowanie zmodyfikowanej metody cliped-LQR do semi-aktywnego zawieszenia fotela
kierowcy. Mój udział procentowy w przygotowaniu artykułu [8] to 40%.
– W artykule [9].
Implementacja algorytmu sterowania sprężyną SMA na sterownik FPGA oraz wyznaczenie
wskaźników efektywności działania przesiewacza wibracyjnego. Mój udział procentowy
w przygotowaniu artykułu [9] to 25%.
– W artykule [10].
Opracowanie metody oceny stanu technicznego fundamentów na podstawie sygnałów
drganiowych. Metodę przetestowano na przykładzie fundamentów podpór kolei linowych
w Parku Kultury i Wypoczynku na Śląsku. Mój udział procentowy w przygotowaniu artykułu
[10] to 85%.
Mój udział procentowy w przedstawionym jednotematycznym cyklu publikacji średnio
wynosi 62,5%.
Podsumowanie
Wszystkie prace składające się na przedstawiony jednotematyczny cykl publikacji
zostały opublikowane w renomowanych czasopismach naukowych ściśle związanych
z prezentowaną tematyką.
Osiągnięcie będące podstawą wszczęcia postępowania habilitacyjnego przedstawione
jako jednotematyczny cykl publikacji pt: „Analiza i synteza układów sterowania drganiami
z uwzględnieniem parametrów energetycznych” jest wynikiem prac prowadzonych po
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 31 z 40
uzyskaniu stopnia doktora i polega na szczegółowej analizie wybranych struktur aktywnych
zawieszeń pojazdów kołowych od modelowania, poprzez syntezę sterowania, budowę modeli
fizycznych aż po badania laboratoryjne. W pracach tych szczególnie zwracam uwagę na
zapotrzebowanie na energię zewnętrzną niezbędną do osiągnięcia zaplanowanej redukcji
drgań.
Zrealizowane i przedstawione w opublikowanych pracach badania naukowe
przedstawiające mój wkład do reprezentowanej dyscypliny naukowej obejmują:
oryginalną metodykę badań laboratoryjnych wykorzystującą fizyczne modele
uwzględniające podobieństwo dynamiczne z obiektami rzeczywistymi oraz techniki
szybkiego prototypowania układów sterowania,
autorskie wskaźniki jakości uwzględniające parametry energetyczne aktywnych
zawieszeń pojazdów,
osiągnięcie kompromisu dla przeciwstawnych wskaźników jakości dzięki
zastosowanym metodom sterowania optymalnego i modalnego,
zaprojektowanie i wykonanie aktywnego zawieszenia, którego głównym źródłem
zasilania jest specjalnie wykonany zasilacz napędzany energią układu drgającego oraz
zaprojektowanie i wykonanie dla tego układu systemu zarządzania energią,
ograniczenie zapotrzebowania na energię zewnętrzną dla aktywnych układów
sterowania drganiami dzięki zaproponowanym technikom sterowania,
praktyczną realizację zaproponowanych technik i ich weryfikację doświadczalną,
zastosowanie inteligentnych elementów wykonawczych jako aktuatorów dla układów
sterowania drganiami.
Uzyskane osiągnięcia wnoszą znaczący wkład do dyscypliny naukowej Automatyka
i Robotyka zarówno w Polsce, jak i na świecie.
5. Pozostałe osiągnięcia naukowo-badawcze
Autorstwo i współautorstwo w publikacjach naukowych
Mój dorobek publikacyjny obejmuje 81 prac naukowych, w tym po obronie pracy
doktorskiej 61 pozycji. Niemal wszystkie (z wyjątkiem dwóch) dotyczą sterowania drganiami
struktur dynamicznych lub ich kontroli. Czasopisma, w których zostały opublikowane te
artykuły są ściśle powiązane z tematyką wskazanego osiągnięcia naukowego (Tabela 3).
W ostatnich latach skoncentrowałem się na publikacji swoich osiągnieć w znaczących,
renomowanych czasopismach powiązanych tematyczne z technikami sterowania drganiami.
Efektem tego było opublikowanie prac w czasopismach indeksowanych w bazie Journal
Citation Reports (JCR) tzw. lista filadelfijska (wskaźniki Tabela 2). Kolejne 21 prac to artykuły
opublikowane w czasopismach zagranicznych lub krajowych o zasięgu międzynarodowym.
Są to czasopisma:
będące na liście czasopism punktowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa
Wyższego część B, czasopisma zagraniczne lub krajowe wydawane pod patronatem
Polskiej Akademii Nauk:
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 32 z 40
o Solid State Phenomena (5),
o Archives of Control Sciences,
o Engineering Transactions (2),
o Archive of Mechanical Engineering,
o Journal of KONES,
renomowane czasopisma branżowe takie, jak:
o Pomiary, Automatyka, Kontrola (2),
o Hydraulika i Pneumatyka,
o Pneumatyka,
o Napędy i Sterowanie (2),
Zeszyty Naukowe renomowanych Polskich uczelni technicznych (5).
Dodatkowo 6 prac to rozdziały w monografiach, z czego pięć to monografie o zasięgu
międzynarodowym, a jedna to monografia z zakresu metrologii elektrycznej.
Uczestnictwo w konferencjach tematycznych
36 spośród moich prac to artykuły wygłoszone na konferencjach, z czego 33 to
konferencje międzynarodowe. W latach 1999, 2002, 2009 prezentowałem swoje prace na
największej światowej konferencji z zakresu aktywnych metod sterowania drganiami ACTIVE
International Symposium on Active Control of Sound and Vibration. W 2005 roku
przedstawiłem pracę związaną ze sterowaniem modalnym zawieszeniem pojazdu na
Kongresie Internoise - International Congress and Exposition on Noise Control Engineering.
Jest to Kongres dotyczący tematyki sterowania drganiami i hałasem. W latach 1999-2013
zaprezentowałem 13 prac na międzynarodowej konferencji MARDiH - Conference on Active
Noise and Vibration Control Methods. Jest to konferencja łącząca naukę z przemysłem
organizowana w cyklu dwuletnim przez macierzystą Katedrę. W latach 2000-2010
zaprezentowałem 8 prac z zakresu sterowania na konferencji ICCC International Carpathian
Control Conference. Konferencja ta skupia specjalistów z zakresu sterowania głównie
z okręgu krajów Karpackich, ale też gości z innych regionów świata. Cztery prace związane
z zastosowaniem materiałów inteligentnych do redukcji drgań prezentowane były na
konferencjach MSM Mechatronic Systems and Materials w latach 2010-2012. Dwukrotnie
również wygłaszałem swoje prace na XLVII i XLIX Sympozjonie "Modelowanie w Mechanice",
czego efektem były publikacje w czasopismach pod patronatem Polskiej Akademii Nauk.
Pozostałe prace zostały zaprezentowane na konferencjach International Scientific
Conference of FME w 2000, International Scientific and Technical Conference oraz PRMR
Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych.
Patenty
Jestem współautorem pięciu opracowań patentowych, przyznanych
i opublikowanych w Biuletynie Urzędu Patentowego. Cztery z tych patentów dotyczą
zawieszeń sterowanych lub elementów wykonawczych dedykowanych dla zawieszeń
sterowanych. Najważniejsze patenty przyznane to:
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 33 z 40
Układ zawieszenia pojazdów drogowych (PL 205486 B1).
Zespół zawieszenia kół pojazdów mechanicznych, zwłaszcza wielokołowych pojazdów
terenowych (PL 216343 B1).
Dodatkowo kolejny patent zostały zgłoszony i zarejestrowany w Urzędzie Patentowym
Rzeczypospolitej Polskiej. Kolejny patent dotyczący aktywnego eliminatora drgań
wywołanych falami morskimi oczekuje na akceptację w United States Patent and Trademark
Office (No. 8947.46/PV). Wniosek o ochronę patentową został zgłoszony pod tytułem “High-
Load, Fast Reaction Active Heave Compensator (AHC) Technology and System” – dotyczy
kompensacji drgań obiektu opuszczonego w pobliże dna oceanu na długiej stalowej linie
z platformy poddanej drganiom wywołanym falami morskimi.
Udział w realizacji naukowych projektów badawczych
W latach 1998 – 2014 brałem aktywny udział w 15 projektach badawczych jako
wykonawca. Większość z tych projektów dotyczy układów sterowania drganiami.
Realizowane były one głównie w Laboratorium Układów i Struktur Dynamicznych którego
jestem kierownikiem. W swojej działalności naukowej szczególny nacisk kładę na praktyczną
realizację technik zrealizowanych w laboratorium oraz opisanych w publikacjach naukowych.
Efektem tego są kontakty z ośrodkami przemysłowymi, udział w konsorcjach naukowo
przemysłowych oraz udział w aplikacji siedmiu wniosków złożonych w nowej formule do
Narodowego Centrum Nauki i Rozwoju w ramach projektów PBS 2 i PBS 3. Wynikiem tych
aplikacji jest projekt, którego jestem kierownikiem - rekomendowany do dofinansowania w
ramach Programu Badań Stosowanych. Projekt ten nosi tytuł ”Aktywne zawieszenia
wielofunkcyjnych pojazdów kołowych o wysokiej mobilności” i jest ściśle powiązany
z tematyką cyklu publikacji.
Projekty, których jestem pomysłodawcą oraz najistotniejsze ze względu na podjętą
tematykę przedkładanego wniosku to:
[1p] Aktywna kolumna zawieszenia pojazdu kołowego, 2010-2013, wykonawca. [2p] Autonomiczna, uniwersalna platforma gąsienicowa do zadań logistycznych
i bojowych według standardów współczesnego pola walki 0R00004805, 2008-2010, wykonawca.
[3p] Samowzbudny akustyczny system (SAS) do monitorowania zmian naprężeń w konstrukcjach sprężystych i górotworach, N501 23 44 35, 2008-2010, wykonawca.
[4p] Aktywny, regeneracyjny układ redukcji drgań wykorzystujący elektromagnetyczne elementy wykonawcze, N50103732/2981, wykonawca.
[5p] Badania laboratoryjne, modelowanie oraz sterowanie układów mechanicznych opartych o metale z pamięcią kształtu, 4 T07A 04129, 2005-2008, wykonawca.
[6p] Układy redukcji drgań mechanicznych dla wielowymiarowych struktur dynamicznych 4 T07A 005 30, 2006-2008, wykonawca.
[7p] Aktywne zawieszenie pojazdu z ograniczonym zużyciem energii, 4 T07C 015 27, 2004–2006 – wykonawca - grant promotorski.
[8p] Elektrohydrauliczne układy aktywnej redukcji drgań mechanicznych wykorzystujące energię mas nie wibroizolowanych, projekt badawczy nr 5 T07C 023 22 finansowany przez KBN (2002-2005), wykonawca.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 34 z 40
[9p] Aktywne sterowanie drganiami w układach mechanicznych o zmiennych parametrach przy wymuszeniach losowych, 7 T07C 009 16, (1999-2001), wykonawca.
Udział w realizacji umów z ośrodkami przemysłowymi
Moje badania laboratoryjne ukierunkowane na praktyczną realizację rozważanych
technik zaowocowały udziałem w pracach realizowanych dla krajowych ośrodków
przemysłowych. W latach 2005 – 2012 brałem udział w 14 umowach zrealizowanych przez
AGH dla ośrodków przemysłowych. Prace te w głównej mierze dotyczą realizacji układów
pomiarowych lub diagnostycznych w układach mechanicznych.
Wykaz umów których jestem współwykonawcą zrealizowanych dla przemysłu:
[1u] Ocena stanu technicznego elementów i zespołów kolei jednolinowej Nosal na
podstawie przeprowadzonych badań. Praca wykonana dla Przedsiębiorstwa
Transportowego STRAMA, um. nr 30.30.130.703, Kraków, grudzień 2005 r.
[2u] Badania podpór kolei linowej krzesełkowej ELKA wraz z ekspertyzą techniczną stóp
podpór i ich kotwienia. Praca wykonana dla Wojewódzkiego Parku Kultury
i Wypoczynku w Chorzowie, um. nr 30.30.130.843. Kraków, czerwiec 2006 r.
[3u] Badania zespołów kolei linowej Strugi-Szczawiny w Korbielowie. Praca wykonana dla
Gliwickiej Agencji Turystycznej S.A., um. nr 30.30.130.856. Kraków, lipiec 2006 r.
[4u] Przeprowadzenie badań kolei linowej krzesełkowej Piękna Góra wraz z analizą ich
wyników. Praca wykonana dla Centrum Sportowo-Rekreacyjnego „Piękna Góra”
w Gołdapi, um. nr 30.30.130.932. Kraków, grudzień 2006 r.
[5u] Badania konstrukcji wsporczych podpór na trasach odcinków I i II kolei ELKA”. Praca
wykonana dla Wojewódzkiego Parku Kultury i Wypoczynku w Chorzowie, um.nr
30.30.130.991. Kraków, styczeń 2007 r.
[6u] Pomiary rzeczywistych obciążeń napędu kolei linowej „Szyndzielnia” wraz z analizą
i oceną otrzymanych wyników. Praca wykonana dla ZIAD Bielsko-Biała S.A., um. nr
5.5.130.174. Kraków, październik 2007 r.
[7u] Badania napędu wprzęgieł oraz konstrukcji wsporczych kolei linowej Strugi Szczawiny
w Korbielowie. Praca wykonana dla MOSTOSTAL Zabrze ZMP „Czechowice”, um.. nr
30.30.130.211. Kraków, listopad 2007 r.
[8u] Badania odbiorowe kolei jednolinowej Dzikowiec wg opracowanego programu. Praca
wykonana dla MOSTOSTAL Zabrze ZMP „Czechowice”, um. nr 30.30.130.490. Kraków,
listopad 2008 r.
[9u] Wykonanie optymalizacji pracy układu napędowego kolei linowo-terenowej na Górę
Żar w Międzybrodziu Żywieckim. Praca wykonana dla MOSTOSTAL Zabrze ZMP
„Czechowice”.
[10u] Laboratoryjne i modelowe badania siedzisk operatora produkowanych przez firmę
STER. Przedsiębiorstwo Innowacyjno Wdrożeniowe, Grzegorz Jaśniewicz. 61-674
Poznań, Wichrowe Wzgórze (2011), wykonawca.
[11u] Opracowanie układu amortyzującego do foteli operatorów maszyn roboczych i
pojazdów. Przedsiębiorstwo Innowacyjno Wdrożeniowe, Grzegorz Jaśniewicz. 61-674
Poznań, Wichrowe Wzgórze 10/62. (2010), wykonawca.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 35 z 40
[12u] Badania specjalne wyodrębnionego zespołu (wał, linopędnia) maszyny wyciągowej
szybu R-II przedział S O/ ZG Rudna wg zatwierdzonego „Programu prób i badań”
zlecenie dla ABB Sp. z o. o. ul. Żeglańska 1, 04-713 Warszawa 30.30.130.383.
[13u] Analiza i ocena wyników badań i parametrów pracy maszyn wyciągowych w szybie R-
II O/ ZG Rudna w ruchu próbnym dla uzyskania stałego dopuszczenia maszyn do
ruchu, zlecenie dla ABB Sp. z o. o. ul. Żeglańska 1, 04-713 Warszawa 30.30.130.382.
[14u] Modernizacja stanowiska diagnostycznego do badań hydraulicznych młotów
udarowych 5.5.130.502 KGHM Polska Miedź S.A. (2012).
Realizacja tych prac pozwoliła na zdobycie cennego doświadczenia i ukierunkowanie
moich badań na praktyczne wykorzystanie i aplikację wiedzy teoretycznej do obiektów
rzeczywistych.
Staże zagraniczne
Przebywałem na następujących stażach zagranicznych:
• Finlandia, Centrum Badawcze VTT w Oulu, 2013 wizyta studyjna w ramach projektu
Naukowcy Bliżej Przemysłu organizowana przez Przemysłowy Instytut Automatyki
i Pomiarów PIAP – finansowana ze środków EU w ramach programu Narodowa
Strategia Spójności - Kapitał Ludzki. VTT jest największą organizacją badawczą
w Europie Północnej.
• Ukraina, centrum Naukowo Badawcze Khmelnitsky National University, 2010.
• Kanada, Ecole Polytechnique de Montreal, 2009,
• Kanada, Laval Université, 2009,
• Wielka Brytania, University of Southampton, ISVR 2002
Działalność dydaktyczna
W ramach prowadzonej przeze mnie działalności dydaktycznej jestem opiekunem
dwóch przedmiotów (Elementy Automatyki Przemysłowej st. I-szego stopnia na kierunku
Automatyka i Robotyka, Systemy Pomiarowe st. II-giego stopnia na kierunku Automatyka
i Robotyka), dla których prowadzę wykłady. Dodatkowo w ramach modułu Automatyka
i Robotyka (st. I-szego stopnia) prowadzę część wykładów z zakresu Elementów Automatyki
Przemysłowej.
Obecnie prowadzę ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotów: Analiza Sygnałów
i Identyfikacja Procesów (st. I-szego stopnia na kierunku Automatyka i Robotyka) oraz
Systemy Pomiarowe (st. II-giego stopnia na specjalnościach: Automatyka i Metrologia,
Robotyka, Automatyka w Górniczych Systemach Maszynowych). Dla wszystkich
prowadzonych przeze mnie przedmiotów opracowałem autorskie programy.
Poza wymienionymi przedmiotami w trakcie mojej pracy prowadziłem zajęcia
z następujących przedmiotów:
Podstawy Automatyki – ćwiczenia audytoryjne,
Automatyzacja Procesów Technologicznych – seminarium,
Metrologia – laboratorium,
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 36 z 40
Elementy Automatyki Przemysłowej – ćwiczenia audytoryjne,
Elementy Automatyki Przemysłowej – laboratorium,
Eksploatacja urządzeń transportu linowego – wykład,
Eksploatacja urządzeń transportu linowego – laboratorium,
Przemysłowe Układy Kontrolno Pomiarowe – laboratorium,
Sterowanie struktur dynamicznych – laboratorium,
Identyfikacja Procesów Technologicznych – laboratorium.
Promowane przeze mnie prace dyplomowe na studiach magisterskich i inżynierskich
głównie dotyczą tematyki sterowania drganiami i systemów pomiarowych. Trzech
wypromowanych przeze mnie dyplomantów studiuje na studiach doktoranckich, czwarty jest
pracownikiem naukowym w instytucie badawczym, a kolejny otrzymał stopień doktora nauk
technicznych. Rada Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki na posiedzeniu w dniu 30
maja 2014 r. powołała mnie na promotora pomocniczego w przewodzie doktorskim mgr inż.
Doroty Marszalik.
Działalność organizacyjna
Jestem kierownikiem dwóch laboratoriów:
• dydaktycznego – Laboratorium Systemów Pomiarowych,
• badawczego – Laboratorium Układów i Struktur Dynamicznych.
Powstałe w 2000 roku Laboratorium Systemów Pomiarowych obecnie jest najbardziej
obciążonym Laboratorium Katedry Automatyzacji Procesów. Prowadzone są tam zajęcia z
sześciu przedmiotów dla kierunków Automatyka i Robotyka oraz Mechanika i Budowa
Maszyn na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Robotyki. Tematyka zajęć związana jest
głównie z techniką pomiarową, analizą i przetwarzaniem sygnałów oraz zaawansowanymi
systemami sterowania. W Laboratorium Układów i Struktur Dynamicznych pod moim
kierownictwem zostały zbudowane dwa specjalistyczne stanowiska badawcze: do badań
modeli ćwiartkowych zawieszeń pojazdów i do badań układów redukcji drgań. Jestem
pomysłodawcą tych stanowisk oraz autorem projektu i wykonawcą układu pomiarowo-
sterującego. Stanowiska te bazują na elektrohydraulicznych wzbudnikach dużej mocy
umożliwiających generowanie drgań harmonicznych: o ściśle zadanym kształcie,
częstotliwości i amplitudzie lub losowych o zadanym rozkładzie prawdopodobieństwa
i gęstości widmowej mocy. Laboratorium to pełni funkcję zaplecza badawczego dla Katedry
Automatyzacji Procesów. Od początku jego powstania w 2001 roku zrealizowano tu 8 prac
doktorskich a kolejne trzy są w trakcie realizacji. W laboratorium zrealizowano również 13
projektów badawczych finansowanych przez KBN, MNiSW, NCN.
Jestem członkiem Komitetu Organizacyjnego i sekretarzem międzynarodowej
Konferencji MARDIH Active Noise and Vibration Control Methods, która odbywa się co dwa
lata. Jestem odpowiedzialny za proces ewaluacji artykułów prezentowanych oraz
publikowanych w ramach konferencji. Ponadto byłem członkiem komitetów organizacyjnych
międzynarodowych Konferencji Naukowych: APRO – Automatyzacja Maszyn, Urządzeń
i Procesów oraz cyklicznej konferencji ICCC – International Carpathian Control Conference.
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 37 z 40
Biorę czynny udział w Działalności Statutowej Wydziału, czego efektem jest
współudział w opracowaniu sprawozdań z tej działalności w latach 2001-2013.
Redakcja i recenzowanie publikacji w czasopismach naukowych
Byłem co-Edytorem trzech numerów kwartalnika Journal of Low Frequency Noise,
Vibration and Active Control wydawanego przez University of Sheffield, UK. Jestem
recenzentem prac nadsyłanych do czasopisma Journal of Dynamic Systems, Measurement,
and Control wydawanego przez ASME. Czasopisma te są indeksowane w bazie JCR. Jestem
również recenzentem prac publikowanych w Ain Shams Engineering Journal wydawanego
przez Elsevier.
Indeksy cytowań
W tabeli 1 zestawiłem podstawowe wskaźniki cytowań moich prac podawane za
najpopularniejszymi bazami opracowań naukowych.
Tabela 1. Statystyki i wskaźniki cytowań
Web of
Science Scopus
Google Scholar,
Publish or Perish
H – index 4 4 5
Liczba dokumentów w bazie 14+5* 14 37
Liczba cytowań 29 29 109
* po uwzględnieniu bazy cytowań patentowych
W tabeli 2 przedstawiłem wskaźniki dla czasopism, w których prezentowałem swoje
prace. Tabela ta stanowi wyciąg z bazy JCR.
Tabela 2. Wskaźniki dla czasopism, w których ukazały się moje prace
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 38 z 40
Sumaryczny 5-cio letni Impact Factor dla 61 prac, które ukazały się po uzyskaniu
stopnia doktora wynosi 3,731. Sumaryczna liczba punktów MNiSW wykazanych na
podstawie listy z roku publikacji bez podziału na współautorów wynosi 347.
Tematyka moich prac opublikowanych w czasopismach z IF - znajdujących się w bazie
WOS przedstawiona jest w tabeli 3.
W tabelach 4 i 5 podano wyciąg z baz Google Scholar (tożsamy z Publish or Perish)
i Web of Science stanowiący fragment raportu podsumowującego prace, których jestem
autorem lub współautorem. Są to najistotniejsze fragmenty raportów.
Tabela 3. Podejmowana tematyka według kategorii Web of Science
Tabela 4. Wskaźniki cytowań według Google Scholar
Autoreferat, dr inż. Jarosław Konieczny
Strona 39 z 40
Tabela 5. Wskaźniki cytowań według Web of Science
Autoreferat, dr
Strona 40 z 40