autoreferat - imirautoreferat, dr inż. jarosław konieczny strona 3 z 40 1. imię i nazwisko...

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

[email protected]

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

mailto:[email protected]

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


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


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


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.


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.


Strona 5 z 40

[2] J. Konieczny, Modelling of the Electrohydraulic Full Active Vehicle Suspension,

Engineering Transactions. 56 (2008) 187–208.


[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.


[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.


[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.


[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.


[10] J. Konieczny, J. Pluta, A. Podsiadło, Technical condition diagnosing of the cableway

supports’ foundations, Acta Montanistica Slovaca. 13 (2008) 158–163.


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.


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


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


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


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


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


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.


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


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


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)


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


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)


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


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


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:


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


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)


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,


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


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


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.


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.


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


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.


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.


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%.


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%.


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


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:


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:


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.


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.


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,


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.


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


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


Strona 39 z 40

Tabela 5. Wskaźniki cytowań według Web of Science

Autoreferat, dr

Strona 40 z 40

autoreferat - imirautoreferat, dr inż. jarosław konieczny strona 3 z 40 1. imię i nazwisko...

Documents