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 statycznych. Autor dokonał rzetelnej weryfikacji doświadczalnej proponowanych algorytmów kompensacji 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.
