Dr hab

Dr hab. inż. Paweł Staszewski, Prof. nzw. P.W.
Instytut Systemów Elektronicznych
Wydział Elektroniki
Wojskowa Akademia Techniczna
Warszawa, dn. 27-11-2015
RECENZJA
rozprawy doktorskiej Mgr inż. Michała Augustyniaka
pt.: OCENA SKUTECZNOŚCI AKTYWNEJ REDUKCJI DRGAŃ BELKI
WYSIĘGNIKOWEJ Z KOMPOZYTOWYM SIŁOWNIKIEM PIEZOELEKTRYCZNYM
1. Ocena wyboru tematyki i celu pracy
Metody obliczeniowe oraz praktyczne sposoby coraz bardziej efektywnego tłumienia drgań
elementów konstrukcji są zagadnieniem aktualnym z uwagi nieustanne pojawianie się nowych,
złożonych konstrukcji maszyn i urządzeń pracujących w środowisku naturalnym i narażonych na
jednorazowe, bądź najczęściej okresowe wymuszenia mechaniczne o szerokich pasmach
częstotliwości. Mogą one pochodzić z bezpośredniego środowiska, w którym pracuje rozważany
obiekt, jak również z wnętrza danej konstrukcji. W przemyśle, w większości przypadków drgania
powstają jako efekt uboczny procesów roboczych, co pogarsza jakość pracy urządzeń i prowadzi do
konieczności wyeliminowania drgań bądź znacznej redukcji ich poziomu. W ten sposób uzyskuje się
lepsze parametry pracy urządzenia, pozbawione zjawisk pasożytniczych. Ponadto efekty te mniej
szkodliwie oddziaływają na środowisko, na co w obecnej dobie kładziony jest coraz większy nacisk.
Tematyka tłumienia drgań i rozwiązania zaproponowane w pracy mogą mieć różnorodne
zastosowania przemysłowe. Istotnym z punktu widzenia energetyki obszarem są elektrownie
wiatrowe ze znacznymi wymiarami i ciężarem łopat wirnikowych. Istotnym przypadkiem, gdzie
drgania wpływają negatywnie na wykonywane zadania są również łopaty śmigłowca. Poddane są
one bowiem nie tylko czynnikom zakłócającym pochodzącym z atmosfery, lecz również drganiom
narzuconym przez napęd śmigłowca. Z uwagi na znaczną rolę przemysłu lotniczego i zagadnienia
eko-środowiskowe podjęcie zadań badawczych w tej tematyce jest zdecydowanie uzasadnione.
Trzeba zwrócić uwagę na użyteczność wyników pracy wyrażoną w zwięźle sformułowanym
przez Autora jej celu, tzn.: Określeniu oceny skuteczności redukcji drgań belki wysięgnikowej za
pomocą siłownika MFC. Oczekiwane rozwiązanie ma zatem dać odpowiedź dotyczącą wpływu
wybranych algorytmów regulacji i nastaw regulatorów na skuteczność redukcji drgań belki.
Sformułowany powyżej cel uzasadnia poprawnie zredagowaną tezę pracy w postaci:
2
Efektywność redukcji drgań belki zależy od doboru regulatora i jego nastaw, a dla każdego
typu regulatora istnieją warunki, przy których efektywność energetyczna tłumienia drgań
belki uzyskuje wartość maksymalną.
Podjęcie badań dla belki z nowoczesnym kompozytowym siłownikiem piezoelektrycznym
Macro Fiber Composite (MFC) typu M-8503P1 stanowi istotny walor pracy. Na podkreślenie
zasługuje też trafny wybór układu regulacji z zastosowaniem algorytmów PID i nieliniowych
algorytmów nasyceniowych. Zwraca również uwagę dobór dobrej jakości elementów układów, np.
filtrów rezonansowych typu Positive Position Feedback, Strain Rate Feedback i Nonlinear Saturation
Control. Dla modeli, w których zachodzą zmiany parametrów obiektów wprowadzono efektywne
układy adaptacyjne z modelem odniesienia MRAS.
Praca przedstawia zamknięty cykl badawczy obejmujący badania symulacyjne, wykonanie
stanowiska laboratoryjnego, badań eksperymentalnych i dyskusję wyników.
Fakt realizowania badań w ramach Projektu "Nowoczesne technologie materiałowe
stosowane
w
przemyśle
lotniczym",
Nr
POIG.01.01.02-00-015/08-00
w
Programie
Operacyjnym Innowacyjna Gospodarka (POIG) zwiększa w istotny sposób zakres jej wdrożeń
oraz podkreśla jej wartość użyteczną i badawczo-rozwojową.
Tak sformułowane: zakres pracy, cele oraz teza odpowiadają aktualnemu zapotrzebowaniu,
polityce ekologicznej i tendencjom w kierunku prowadzenia badań w omawianej tematyce.
W świetle powyższych uwag wyrażam opinię, że tematyka i zakres przedstawionej do recenzji pracy
doktorskiej Pana Mgr inż. Michał Augustyniaka pt.: Ocena skuteczności aktywnej redukcji drgań
belki wysięgnikowej z kompozytowym siłownikiem piezoelektrycznym są w dużej mierze zasadne.
2. Struktura pracy, uwagi merytoryczne i dyskusyjne
Przedstawiona do recenzji praca zawiera 94 strony roboczego tekstu. Zredagowana jest w 9-ciu
rozdziałach często poprzedzonych wprowadzeniem oraz charakterystyką własności układów
piezoelektrycznych. W końcowej części zawiera podsumowanie, wnioski końcowe i bibliografię
zawierającą 52 pozycje literatury. Większość rozdziałów zawiera lokalne podsumowanie, co ułatwia
syntetyczną ocenę pracy.
Rozdz.2 ma głównie charakter opisowy w zakresie właściwości układów piezoelektrycznych,
w oparciu o przegląd literatury. Zawiera jednak również charakterystyczne wyniki własnych
eksperymentów dotyczące przykładowego siłownika MFC.
Rozdziały 3-9 stanowią podstawową zawartość pracy.
Wychodząc z definicji pojęcia skuteczności energetycznej redukcji drgań belki jako
podstawowego pojęcia dla realizacji kolejnych etapów rozprawy (Rozdz.3) Autor przedstawia
3
w Rozdz.4 główne badania modelowe, obliczenia symulacyjne i badania laboratoryjne łącznie
z graficznym opracowaniem wyników..
Rozdz.5 i 6 zawierają realizację zadań modelowych i obliczeniowych w oparciu o przyjęty
model matematyczny nieliniowego równania różniczkowego drugiego rzędu i układy regulacji.
Dobrano stosowne regulatory dające dobre efekty redukcji drgań. Zmiany parametrów modelu
uwzględniono poprzez stosowną modyfikację filtrów rezonansowych. Odpowiednie stanowisko
laboratoryjne posłużyło do wykonania testów identyfikacyjnych. Na podstawie tych testów
wyznaczono parametry belki i siłownika, które wykorzystano w dalszej części pracy do obliczeń
symulacyjnych.
Rozdz.7 i 8 stanowią w mym przekonaniu najistotniejszy dorobek Autora pracy.
Koncepcja i szczegółowy projekt autorskiego stanowiska badawczego z wszelkimi niezbędnymi
elementami dotyczącymi zarówno oprogramowania jak i podzespołów przedstawione są w Rozdz.7.
Stanowisko cechuje się uniwersalnością i łatwością ustalania struktury badań z możliwością
programowania sekwencji kroków w zakresie realizacji programowej, pomiarowej jak również
opracowywania wyników.
Wykonanie i prezentacja wszystkich podstawowych badań na obiekcie rzeczywistym są
przedmiotem Rozdz.8. Rezultaty badań uzyskano stosując te same algorytmy jakich użyto wcześniej,
podczas obliczeń symulacyjnych. Rozdział ten zawiera wnioski odnoszące się do rozwiązywanego
problemu naukowego i tezy rozprawy
Rozdz.9 zarysowuje kierunki dalszych prac autora
Lektura pracy nasuwa następujące uwagi merytoryczne, bądź dyskusyjne:
1. W porównaniu z bardzo bogatym zakresem projektowo-pomiarowym pracy słabszą jej stroną jest
zawartość
dotycząca
struktury
modeli
obliczeniowych,
równań
i
współzależności
matematycznych oraz fizyczno materiałowych (Rozdziały 3 do 6). W zdecydowanej większości
tekstów przytaczane są równania i współzależności zaczerpnięte bezpośrednio z literatury, bez
komentarzy i minimalnej chociażby analizy porównawczej. Bardzo celowe byłoby uniknięcie
tego mankamentu i pokuszenie się o próby wprowadzenia niewielkich nawet modyfikacji
wybranych ostatecznie używanych wzorów, zaznaczając precyzyjnie wymiar tych zmian. Jeśli
działania takie wydawałyby się na aktualnym etapie prac z różnych względów niemożliwe, to
należałoby chociaż wspomnieć o potencjalnych możliwościach. Wzbogaciłoby to teoretyczną
wartość pracy.
2. Większość modeli i równań matematyczno-fizycznych, szczególnie w Rozdz.3 – 5, poparta jest
cytowaniem odpowiednich pozycji bibliograficznych. Jednak niedociągnięciem pracy jest brak
4
w wielu miejscach ścisłego odniesienia do literatury w sytuacji kiedy Autor proponuje ostateczne
zależności analityczne, równania i modele obliczeń służące realizacji konkretnych zadań. Celem
jednoznacznego określenia własnego wkładu naukowego w pracach promocyjnych jest
szczególnie zalecane, aby Autor przytaczał na bieżąco w odnośnych miejscach najbliższe
tematycznie pozycje literatury i komentował precyzyjnie, czy jego propozycje mają charakter
autorski, czy też w korzysta w pełni lub częściowo z rezultatów cytowanych opracowań, bądź
jakie wprowadza elementy oryginalne lub modyfikacje. Proszę o uściślenia tej kwestii
w prezentacji osiągnięć własnych podczas obrony publicznej.
3. Przykładem dla uwag podanych w poprzednim punkcie są fragmenty tekstu pracy. W jednym
z początkowych rozdziałów Autor informuje, że …”w trakcie badań testowano działanie
wybranych algorytmów sterowania, jakie wyłoniono na podstawie wcześniejszej analizy prac
naukowych [1, 14, 21, 22, 38, 44, 45, 47]” …, ..”testy te pozwoliły na poznanie zalet i wad
poszczególnych rozwiązań.” … , ….. „na podstawie zdobytych doświadczeń opracowano własne
algorytmy”… Warto by w tym miejscu jak i w podsumowaniu wyszczególnić nowe cechy tych
algorytmów. Innym przykładem jest fragment tekstu na str.35: „W końcowym etapie badań
algorytmy te rozbudowano o układy adaptacyjne [3, 4, 24], pozwalające na efektywną redukcję drgań
nawet przy zmieniających się parametrach belki”. Czytelnik nie otrzymuje tu dokładnej informacji kto jest
autorem tych modyfikacji.
W omówionych przypadkach, zarówno w trybie bieżącym, jak i w podsumowaniu końcowym
celowe byłoby znacznie bardziej przejrzyste i ścisłe określenie jakimi nowymi cechami
charakterystycznymi wyróżniają się propozycje Autora i w jakim stopniu dają bardziej
wiarygodne wyniki. Proszę o odniesienie się do tej kwestii podczas referowania pracy
4. W Rozdz.5 i 6 przedstawiono model matematyczny nieliniowego równania różniczkowego
drugiego rzędu i opis układu regulacji. Na podstawie literatury wybrano „klasyczne” układy PID
oraz filtry rezonansowe z członami: proporcjonalnym, różniczkującym bądź nieliniowym. Proszę
o szczegółowsze informacje dotyczące możliwości lub niecelowości zastosowania w badanych
modelach matematycznych innych, bardziej efektywnych lub zmodyfikowanych, a może
jednocześnie prostszych i tańszych układów i filtrów, stosownie do rezultatów najnowszych
badań i koncepcji rozwijanych w tym zakresie.
5. Rozdział dziewiąty wskazuje kierunek przyszłych prac autora. Zamieszczenie w tym rozdziale
informacji nt. zrealizowanych już dotychczas układów z wirującymi modelami łopat nie jest
stosowne. Materiał ten należałoby podać w rozdziale wstępnym dotyczącym prezentacji literatury
w omawianej dziedzinie, szczególnie na tle podobnych prac badawczo-rozwojowych związanych
z analizą drgań śmigieł samolotowych.
5
Zagadnienia szczegółowe:
 W jakiej skali wykonany został dwu- i trój-łopatowy model wirnika? Jeśli różnej od jedności to
jakich adaptacji wymagałyby proponowane modele i konstrukcje dla wirników rzeczywistych?
 Str.56: Rys.20 – schemat blokowy powinien zawierać blok warunkowy informujący dla jakich
warunków kończą się obliczenia iteracyjne
Do szczególnych zalety pracy zaliczam:

Projekt i wykonanie uniwersalnego stanowiska badawczego

Bogaty zbiór wyników badań eksperymentalnych na modelach dwu- i trój-ramiennego śmigła
helikoptera

Określenie wpływu odstrojenia filtrów na jakość redukcji drgań

Analizę porównawczą wyników badań laboratoryjnych i wybór rozwiązań optymalnych

Duże możliwości zastosowań przemysłowych w kraju i potencjalnie za granicą: Dolina
Lotnicza–PL, Projekt Europejski "Nowoczesne technologie materiałowe stosowane
w przemyśle lotniczym", Nr POIG.01.01.02-00-015/08-00 w Programie Operacyjnym
Innowacyjna Gospodarka (POIG)
Za najważniejsze osiągnięcia Autora uważam:
 Wykonanie zamkniętego cyklu badań począwszy od modelowania matematycznego, symulacji,
wykonania eksperymentalnych badań laboratoryjnych i przeprowadzenie analiz porównawczych
 Autorska koncepcja modelu aktywnej belki kompozytowej z siłownikiem MFC (p.5.2)
 Wprowadzenie pojęcia efektywności energetycznej dla układów z aktywną redukcją drgań,
 Zaprojektowanie i uruchomienie stanowiska badań eksperymentalnych
 Wykonanie badań dotyczących redukcji drgań z udowodnieniem możliwości pozwalających na
redukcję poziomu drgań z kilkukrotnie wyższą niż dotychczas efektywnością energetyczną.
3. Podsumowanie
Autor rozwiązał samodzielnie kilka problemów modelowych i projektowych przyjmując
właściwe założenia i stosując poprawne, kompleksowe metody badań.
Struktura pracy jest prawidłowa (z drobnym wyjątkiem), przejrzysta, o właściwej kolejności
prezentowanych zagadnień.
Na szczególne podkreślenie zasługuje wykonanie nowoczesnego stanowiska pomiarowego
i wykonanie szerokiego zbioru badań eksperymentalnych, dokonanie analiz porównawczych
i wyciągnięcie wniosków praktycznych.
6
Określono dostatecznie dokładnie zakresy optymalnej pracy dla regulatorów rezonansowych
typu SRF i PPF, mimo że drugiej części tezy nie udało się potwierdzić w pełnym zakresie.
Przytoczone w początkowej części recenzji cele pracy zostały osiągnięte, a teza w głównej
części całkowicie uzasadniona.
Uzyskane wyniki mają znaczne wartości użytkowe i mogą być bezpośrednio zastosowane
w przemyśle lotniczym i energetycznym.
Praca charakteryzuje się dużą przejrzystością merytoryczną oraz bardzo dobrą redakcją
i stylistyką tekstów dotyczących wyjaśnień z cytowanej literatury jak i autorskich.
Nie zauważyłem istotnych usterek redakcyjnych i stylistycznych.
Rysunki i tabele są czytelne, w bardzo starannej szacie graficznej.
Doktorant wykazał ogólną wiedzę teoretyczną w dyscyplinie naukowej elektrotechnika
i dowiódł umiejętności samodzielnego prowadzenia pracy badawczej.
Przedstawione w p.2. zasadnicze uwagi merytoryczne, często charakterze dyskusyjnym, nie
wpływają na ogólną, dobrą ocenę pracy.
Konkluzja
W podsumowaniu wyrażam opinię, że przedstawiona przez Mgr inż. Michała Augustyniaka
rozprawa doktorska pt.: Ocena skuteczności aktywnej redukcji drgań belki wysięgnikowej
z kompozytowym siłownikiem piezoelektrycznym spełnia wymagania Ustawy z dn. 14.03. 2003
roku o Stopniach Naukowych i Tytule Naukowym oraz rozporządzenia Ministra Edukacji i Nauki
z dnia 15.12.2005 roku w sprawie szczegółowego trybu przeprowadzania czynności w przewodach
doktorskich.
Składam wniosek o przyjęcie opiniowanej pracy jako rozprawy doktorskiej i dopuszczenie
Mgr inż. Michała Augustyniaka do publicznej obrony.
Paweł Staszewski