Εφαρμογή των έξυπνων υλικών στις μηχανολογικές κατασκευές.

Abstract

Στην παρούσα πτυχιακή εργασία πραγματοποιείται η μελέτη έξυπνων υλικών και κυρίως πιεζοηλεκτρικών στοιχείων, με ιδιαίτερη έμφαση στην χρήση των πιεζοηλεκτρικών για την χρήση τους σε μηχανολογικές κατασκευές. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγική επεξήγηση των έξυπνων υλικών, καθώς και περιγραφή των υφιστάμενων έξυπνων υλικών, αλλά και χρήση τους σε εφαρμογές. Στην συνέχεια πραγματοποιείται μια πλήρης ανάλυση των πιεζοηλεκτρικών υλικών, με έμφαση στο φαινόμενο του πιεζοηλεκτρισμού, στην δομή αλλά και την χρήση τους. Επίσης αναφέρεται επιγραμματικά και τρόποι ελέγχου των πιεζοηλεκτρικών στοιχείων. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενή ανάλυση σε χρήση των πιεζοηλεκτρικών υλικών σε μηχανολογικές κατασκευές. Παρατηρείτε κυρίως πως εφαρμόζονται τα πιεζοηλεκτρικά υλικά ως επενεργητές ή αισθητήρες. Μερικά παραδείγματα από χρήση των πιεζοηλεκτρικών υλικών ως επενεργητές είναι πιεζοηλεκτρικά μοτέρ, πιεζοηλεκτρική αντλία, καθαριστής υπερήχων, πιεζοηλεκτρικό τρυπάνι κλπ. Ενώ μερικά παραδείγματα από χρήση των πιεζοηλεκτρικών υλικών ως αισθητήρες είναι ο αισθητήρας πίεσης, το επιταχυνσιόμετρο, το μικρόφωνο, το buzzer, ο χαλαζιακός ταλαντωτής, και το sonar. Τέλος μελετάμε τις στρατηγικές ελέγχου που χρησιμοποιούνται για να ελέγξουμε σύνθετες διαδικασίες των πιεζοηλεκτρικών επενεργητών. Η πιο απλή στρατηγική ελέγχου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τους πιεζοηλεκτρικούς επενεργητές είναι ο κοινός PID έλεγχος. Όμως σε αρκετές περιπτώσεις ο έλεγχος PID δεν είναι αρκετός για να έχουμε τα επιθυμητά αποτελέσματα, χρησιμοποιούμε πιο εξελιγμένες τεχνικές ελέγχου. Μερικές από αυτές που χρησιμοποιούνται είναι, έλεγχος LQR, έλεγχος Sliding Mode, έλεγχος H άπειρο, έλεγχος QFT και έλεγχος του αντίστροφου μοντέλου.

In this thesis, the study of smart materials and mainly piezoelectric elements is carried out, with a particular emphasis on the use of piezoelectrics for their use in mechanical constructions. In the first chapter, an introductory explanation of smart materials is given, as well as a description of existing smart materials, as well as their use in applications. Then a complete analysis of piezoelectric materials is carried out, with an emphasis on the phenomenon of piezoelectricity, their structure and use. It also mentions epigrammatically and ways of controlling the piezoelectric elements. In the third chapter, an extensive analysis is made of the use of piezoelectric materials in engineering constructions. You mainly notice how piezoelectric materials are applied as actuators or sensors. Some examples of using piezoelectric materials as actuators are piezoelectric motors, piezoelectric pumps, ultrasonic cleaners, piezoelectric drills, etc. While some examples of using piezoelectric materials as sensors are pressure sensor, accelerometer, microphone, buzzer, quartz oscillator, and sonar. Finally, we study the control strategies used to control complex processes of piezoelectric actuators. The simplest control strategy that can be used for piezoelectric actuators is common PID control. But in several cases PID control is not enough to get the desired results, we use more sophisticated control techniques. Some of the ones used are, LQR control, Sliding Mode control, H infinity control, QFT control and inverse model control.