Badanie nieliniowości belkowego przetwornika piezoelektrycznego

Dr hab. inż. prof. ZUT Mirosław Pajor
Instytut Technologii Mechanicznej
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie
Al. Piastów 19
70-310 Szczecin
Szczecin 28.11.2013
Opinia o pracy doktorskiej pt.” Badania belkowego przetwornika
piezoelektrycznego” autorstwa mgr inż. Marcina Pelica.
Opinię opracowano na podstawie zlecenia Pana Dziekana Wydziału Budowy Maszyn i
Zarządzania, Politechniki Poznańskiej dr hab. inż. Romana Stańka prof. nadzw. PP z dnia
05.07.2013
1. Przedstawienie treści pracy
Współczesne maszyny i urządzenia charakteryzują się wzrastającym poziomem
automatyzacji i komputerowego sterowania ich pracą. Wyraźnym trendem jest
stosowanie rozwiązań mechatronicznych, gdzie dochodzi do silnej integracji systemu
mechanicznego z systemem elektronicznym i informatycznym, której efektem jest
synergiczny produkt o nowych cechach i parametrach użytkowych. Przyjęcie takich
kierunków rozwojowych pociąga za sobą konieczność poszukiwania nowych materiałów
konstrukcyjnych, nowych rozwiązań układów napędowych, nowych technik sterowania
oraz nowych technologii informatycznych. Przykładem takich działań są prace badawcze
nad zastosowaniem, do budowy zaawansowanych układów wykonawczych, materiałów
zaliczanych do grupy tzw. materiałów inteligentnych tj. piezoelektryków, cieczy elektro i
magneto reologicznych oraz materiałów z pamięcią kształtu. W ten obszar działań
wpisuje się recenzowana praca doktorska. Główna tematyka badań realizowanych w
ramach
pracy
koncentruje
się
na
eksperymentalnych
pomiarach
właściwości
piezoelektrycznego napędu belkowego dla potrzeb budowy i identyfikacji jego modelu,
który stosowany jest do konstrukcji algorytmów sterowania takim napędem.
Opiniowana praca doktorska zawiera 131 stron, w tym 176 cytowanych pozycji
literaturowych (133 artykułów, opracowań i książek naukowych, z czego 41 sprzed 2003
roku a 92 to nowe opracowania z ostatnich 10 lat, oraz 43 katalogów i broszur
informacyjnych) i 13 stron załączników. Praca składa się z 9 rozdziałów, w tym spisu
treści, wykazu oznaczeń i podsumowania. W pierwszym rozdziale merytorycznym
(rozdz.3) rozprawy Autor dokonał przeglądu aktualnego stanu wiedzy w tematyce
układów piezoelektrycznych. W rozdziale zwięźle omówiono zjawisko piezoelektryczne
oraz modele molekularne i matematyczne tego zjawiska. Ponadto przedstawiono przegląd
stosowanych w technice rozwiązań elementów i napędów piezoelektrycznych.
Scharakteryzowano również obszary zastosowań piezoelementów oraz opisano ich
podstawowe charakterystyki statyczne.
W kolejnym rozdziale (rozdz.4) Autor wytyczył cele pracy rozdzielając je na cel
poznawczy, jakim jest zbadanie charakterystyki statycznej piezoelektrycznego napędu
belkowego i opisanie jej zidentyfikowanym modelem oraz cel praktyczny, jakim jest
opracowanie sposobu kompensacji nieliniowości histerezy piezoelektrycznego napędu
belkowego pracującego w układzie otwartym. Postawione cele są ambitne i wymagają
rozwiązania wielu trudnych problemów z zakresu modelowania i symulacji elementów
piezoelektrycznych oraz prowadzenia badań doświadczalnych.
W następnym rozdziale (rozdz.5) Autor opisał zrealizowane badania charakterystyk
statycznych napędu piezoelektrycznego. W rozdziale zaprezentowano stanowisko
badawcze, scharakteryzowano badane obiekty i przyjęty plan badań eksperymentalnych.
Ponadto przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych w ujęciu tabelarycznym i w
formie odpowiednich wykresów oraz dokonano oceny wyników badań.
W kolejnym rozdziale rozprawy (rozdz.6) przedstawione zostały wyniki badań
symulacyjnych charakterystyk statycznych na opracowanych modelach. W pierwszej
kolejności Autor zaprezentował wykorzystywane modele symulacyjne budowane w
środowisku Matlab-Simulink. Następnie przedstawił wyniki badań numerycznych ze
szczególnym uwzględnieniem wpływu różnych parametrów stosowanych modeli oraz ich
rodzajów. Ponadto w rozdziale tym przedstawiono analizę błędów odwzorowania
wybranych charakterystyk dla różnych wariantów modeli.
W rozdziale siódmym Autor przedstawił wyniki badań symulacyjnych układu
kompensacji histerezy i nieliniowości. Szczegółowo omówiono uzyskane wyniki i
przeanalizowano symulowane błędy układu kompensacyjnego.
Wyniki badań doświadczalnych w zakresie kompensacji histerezy nieliniowości
rzeczywistych piezoelektrycznych napędów belkowych zostały zamieszczone w rozdziale
ósmym. Badania przeprowadzono na specjalnie przygotowanym stanowisku z
zastosowaniem różnych technik kompensacji. Wyniki badań przedstawiono w formie
wykresów oraz zestawień tabelarycznych
Rozprawę zakończono podsumowaniem, w którym Autor wyciągnął wnioski z
przeprowadzonych badań oraz sformułował wytyczne do dalszych badań zmierzających
do praktycznych wdrożeń napędów piezoelektrycznych.
Podany w pracy spis literatury jest przygotowany poprawnie i obejmuje ważne
pozycje z ośrodków zagranicznych i krajowych, co świadczy o dobrej znajomości tematu
przez Autora pracy.
2.
Oryginalne osiągnięcia pracy
Bardzo ważnymi atutami tej pracy jest to, że ulokowana jest w obszarze
zaawansowanych technologii precyzyjnego sterowania układami mechatronicznymi oraz
możliwość jej praktycznego zastosowania. Wyniki pracy mogą być bezpośrednio
wykorzystane w praktyce przemysłowej przez producentów z branży precyzyjnych
napędów maszyn i urządzeń. Analizowane dwa piezoelektryczne napędy belkowe firm
Noliac i PI Ceramic zostały wszechstronnie przebadane na drodze badań doświadczalnych
oraz eksperymentów numerycznych. Autor wykazał dużą biegłość w posługiwaniu się
nowoczesnym środowiskiem do symulacji układów mechatronicznych oraz dużą
znajomością zagadnień z zakresu technik modelowania.
Autora nie stronił również od badań eksperymentalnych. Szeroki program badań
doświadczalnych pozwolił na identyfikację modeli symulacyjnych oraz kompleksową
ocenę zaproponowanych metod kompensacji histerezy i nieliniowości piezoelektrycznych
napędów belkowych. Zestawienie wyników tych badań, pozwoliło porównać wybrane
techniki symulacji oraz porównać układy piezoelektryczne dostarczane przez dwóch
różnych producentów. Realizując tak obszerny program badań doświadczalnych z
zastosowaniem nowoczesnych technik pomiarowych, Autor wykazał się dużą znajomością
zagadnień prowadzenia eksperymentów. Zastosowane w pracy narzędzia badawcze są
nowoczesne i adekwatne do rozważanej problematyki. Wszystkie zaplanowane zadania
badawcze Autor zrealizował konsekwentnie a uzyskane rezultaty poddał wnikliwej
analizie.
Do największych oryginalnych osiągnięć tej pracy zaliczyć można:
1. Zrealizowany przez Autora kompleksowy zestaw badań eksperymentalnych
charakterystyk statycznych piezoelektrycznych napędów belkowych dwóch
producentów, firmy Noliac i PI Ceramic. Wyniki tych badań prezentowane w
postaci wykresów pętli histerezy, błędów liniowości, charakterystyk nasycenia
i płynięcia w funkcji parametrów
wymuszających oraz w formie
skondensowanych zestawień tabelarycznych dają cenne informacje o
właściwościach piezoelektrycznych napędów belkowych. Jak wynika z
przeprowadzonych badań, tego typu wyniki często odbiegają z różnych
powodów od danych podawanych przez producentów i praktycznie próby
zastosowania takich napędów każdorazowo wymagają indywidualnych badań
identyfikacyjnych.
2. Opracowany przez Autora zestaw modeli opisujących właściwości statyczne
piezoelektrycznych napędów belkowych o różnym stopniu komplikacji
począwszy od prostych modeli tablicowych a skończywszy na złożonych
modelach neuronowych. Autor dokonał rzetelnej oceny dokładności
odwzorowania charakterystyk statycznych napędów piezoelektrycznych dla
różnych technik modelowania. Wyniki tych badań pozwoliły dokonać
porównania poszczególnych modeli i ocenić ich wpływ na dokładność
symulacji i zakres zastosowań.
3. Opracowaną przez Autora innowacyjną technikę kompensacji histerezy i
nieliniowości piezoelektrycznych napędów belkowych sterowanych w
układzie otwartym bez sprzężenia zwrotnego. Układ kompensacji bazuje na
predykcji zachowań piezoelementu z zastosowaniem opracowanych modeli
jego
własności
doświadczalnej
statycznych.
proponowanych
Autor
dokonał
algorytmów
rzetelnej
kompensacji
weryfikacji
i
uzyskał
zadowalające rezultaty eliminacji histerezy i nieliniowości na rzeczywistych
piezoelektrycznych napędach belkowych firm: Noliac i PI Ceramic.
Wyniki pracy wskazują na bardzo dobrą znajomość przez Autora problematyki
modelowania układów piezoelektrycznych z zastosowaniem zaawansowanych modeli
symulacyjnych oraz problematyki eksperymentalnych badań ich własności statycznych i
dynamicznych.
3. Uwagi krytyczne i dyskusyjne
Do uwag dyskusyjnych i krytycznych zaliczyłbym:
1.
W przeglądzie literatury nie przeanalizowano prac bezpośrednio związanych z
modelowaniem układów z nieliniowościami i histerezą (zamieszczonych w spisie
literatury). Krótki komentarz na ten temat i odwołania literaturowe znajdują się
dopiero w rozdziale 6 i 7. Moim zdaniem krytyczna ocena dotychczas
stosowanych technik modelowania winna znaleźć się w przeglądzie literatury, co
ułatwiłoby ocenę oryginalności rozwiązań zaproponowanych przez Autora.
2.
Na rys.5.8 i 5.9 przedstawiono charakterystyki obrazujące efekt nasycenia napędu
piezoelektrycznego dla belki PI Ceramic i Noliac, o czym informują podpisy pod
rysunkami. Jednak w ostatnim akapicie tego rozdziału (str.52) dowiadujemy się,
że to jest efekt nasycenia wzmacniacza sterującego a nie napędu. Zatem czy
sensowne jest prowadzenie pomiaru nasycenia wzmacniacza poprzez badanie
charakterystyk belki piezoelektrycznej ? Czy nie byłoby prościej zbadać sam
wzmacniacz ? Interesująca jest kwestia o ile większe jest rzeczywiste napięcie
nasycające napęd piezoelektryczny w stosunku do nasycenia wywołanego
ograniczeniami wzmacniacza sterującego.
3.
Na str. 53 w ostatnim zadaniu pierwszego akapitu nie można twierdzić, że
pełzanie belki Noliac przekracza dane podawane przez producenta bo mierzone
jest to przy innych poziomach napięć wejściowych, zatem wielkości te nie
powinny
być
porównywane.
Podobne
wątpliwości
budzi
stwierdzenie
zamieszczone w ostatnim akapicie rozdziału 5.5. Czy można twierdzić, iż badania
pozwoliły skonfrontować wyniki rzeczywiste z danymi podawanymi przez
producentów (takie stwierdzenie sugeruje, że producenci podają nieprawdę) jeżeli
wzmacniacz sterujący wprowadza silne zakłócenia. Być może stosując wysokiej
klasy wzmacniacz o odpowiednich parametrach badany napęd piezoelektryczny
precyzyjnie osiągnąłby parametry deklarowane przez producentów. Interesujące
jest na jaki poziomie są błędy generowane przez sam wzmacniacz w stosunku do
rzeczywistych błędów napędu belkowego. Być może (analogicznie jak w uwadze
powyżej) wystarczy zmierzyć odpowiednie charakterystyki samego wzmacniacza
i przeliczyć je na reakcje elementu napędu piezo.
4.
Jak interpretować rys.5.14, który nie jest zbieżny z rys.5.11 ani z rys. 5.15 i 5.16 ?
Na rys.5.15 i 5.16 pokazano linię ugięcia jako linię gładką co sugeruje dużą ilość
punktów pomiarowych zupełnie inaczej niż to widać na rys.5.14.
5.
Na str. 56 w ostatnim zdaniu pierwszego akapitu Autor porównuje linię ugięcia
belki dla napięcia 8V (widoczną na rysunkach poniżej) z linią ugięcia dla napięcia
7.5V, której wykres nie jest zamieszczony na rysunkach poniżej. Zatem wnioski
Autora nie są poparte prezentowanymi wynikami eksperymentalnymi.
6.
Na str. 56 w ostatnim akapicie Autor stwierdza, że osiągnięcie amplitudy 90 m
jest efektem rezonansu. Czy nie jest to stwierdzenie na wyrost ? Patrząc na dane
zamieszczone w tab. 5.1 odczytujemy, że belka PI Ceramic ma zakres wychyleń
±80
m. W rezonansie współczynnik zwielokrotnienia amplitudy jest zwykle
zdecydowanie większy, w szczególności dla elementu piezo, który z uwagi na
małe tłumienie wewnętrzne ma bardzo „ostry” rezonans. Czy nie jest to błąd
spowodowany wzmacniaczem (przy 8V jest on na granicy wydolności, a jak
sugerowano w pracy nie jest on najwyższej jakości)?
7.
Na str.57 w ostatnim zdaniu pierwszego akapitu: zamieszczona uwaga jest mało
precyzyjna – nie wiadomo bowiem od której strony belki odliczać kolejność
punktów. Na krzywych ugięcia warto nanieść punkty pomiarowe (patrz uwaga 3).
Zakładając, że chodzi o koniec belki to z rys.5.15 i 5.16 wcale nie widać aby
styczna do linii ugięcia w ostatnim punkcie była równoległa do osi X – być może
jest to efekt skali, ale Autor winien to skomentować.
8.
Przedstawione na rys.5.18 charakterystyki A-C amplitudowo – częstotliwościowe
są mało wiarygodne w strefie przyrezonansowej. Zastosowanie do badania
charakterystyki A-C przestrajanego wymuszenia harmonicznego jest jedną z
dokładniejszych technik pomiaru tychże charakterystyk, wymaga jednak
zastosowania sprzężenia zwrotnego, aby precyzyjnie utrzymać harmoniczny
charakter wymuszenia, szczególnie w strefie przyrezonasowej. W prezentowanym
stanowisku takowego sprzężenia nie było, zatem układ wymuszający wszedł w
interakcję z wymuszanym obiektem i zarejestrowane rezonanse są źle
odwzorowane (szczególnie ten PI Ceramic). Lepszym rozwiązaniem byłoby
zastosowanie
wymuszenia
impulsowego.
Zastosowanie
wymuszenia
impulsowego na pewno uchroniłoby Autora przed uszkodzeniem belki
pokazanym na rys. 5.19. Ponadto różnice pomiędzy częstotliwością drgań
rezonansowych podanych przez producenta a zmierzonych doświadczalnie mogą
wynikać z warunków utwierdzenia belki.
9.
Co Autor miał na myśli stwierdzając na str.59 w pierwszym akapicie, że modele
Preisacha i Dahla bazują na wygenerowanych danych a modele geometryczne na
danych pozyskanych z eksperymentu? Przecież dwa pierwsze modele mogą być
dopasowane do danych eksperymentalnych.
10.
Na str. 106 w pierwszym akapicie Autor pisze, że cechą charakterystyczną
belkowych napędów piezoelektrycznych są duże odkształcenia – przecież to są
zaledwie mikrometry. Dalej Autor stwierdza, że w pracy zostało udowodnione, iż
poważnym błędem napędów piezo jest ich histereza. Sformułowanie to jest
również niefortunne bo ten fakt jest powszechnie znany i nie trzeba go
udowadniać. Moim zdaniem w miejsce „udowodniono” Autor winien użyć
sformułowania: „potwierdzono iż …..”
Rozprawa jest starannie przygotowana pod względem redakcyjnym. Zamieszczane
wykresy i fotografie są czytelne (poza nielicznymi wyjątkami) i dobrze ilustrują opisywane
zagadnienia. W trakcie czytania pracy udało mi się znaleźć nieliczne błędy redakcyjne:

W wykazie literatury w poz. [1] dane są niekompletne.

Str. 11 przedostatnie zdanie jest niezrozumiałe.

Str. 35 ostatni akapit, pierwsze zdanie jest „…addytywny, multiplikatywny…”.
Winno być „…addytywnym, multiplikatywnym…”.

Str.35 ostatni akapit, drugie zdanie jest: „Ostatnia nieliniowość…” – o jaką
nieliniowość chodzi ?

Str.42 ostatnie zdanie jest niedokończone.

Str.55 pierwsze zdanie – nieoznakowany rozdział.

Rys.6.14, 7.4, 7.5, 8.2 i 8.3 są praktycznie nieczytelne, Autor mógł przedstawić
wybrane reprezentatywne wyniki albo robić je na kilka rysunków.

Rys 7.6 nie ma podpisu – podpis jest na drugiej stronie.

Str. 106 pkt.3 jest: „ektywne” – winno być „efektywne”
4.
Podsumowanie
Biorąc pod uwagę powyższą ocenę treści rozprawy, uważam, że w pełni spełnia ona
wymagane stawiane pracom doktorskim przez ustawę o stopniach naukowych i tytule
naukowym, ponieważ stanowi oryginalne rozwiązanie sformułowanego problemu
naukowego oraz wskazuje na wysoki poziom wiedzy teoretycznej i praktycznej Autora
pracy. Stwierdzam, że opiniowana rozprawa doktorska może być dopuszczona do
publicznej obrony.