VIBRATION ISOLATION OF A HARMONICALLY EXCITED PENDULUM USING PASSIVE AND ACTIVE GYROSTABILIZERS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (M.Sc. Thesis) 202215620 (2)-combined.pdf Restricted to Repository staff only until 7 August 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

تقدم هذه الرسالة دراسة حول ديناميكا واستقرار نظام بندول باستخدام جهاز التثبيت الجيروسكوبي بنوعيه السلبي والنشط. الهدف الرئيسي من الدراسة هو تحسين استقرار البندول عند تعرضه للاضطرابات الخارجية مثل الاهتزازات أو إثارة القاعدة. يتكون النظام من بندول يحتوي على كتلة طرفية، وجهاز جيروسكوبي مثبت عند محوره. يولد هذا الجهاز عزوماً جيروسكوبية ناتجة عن دورانه، وتُستخدم هذه العزوم لعزل الاهتزازات الخارجية المطبقة على البندول. لتحليل النظام، تم اشتقاق المعادلات غير الخطية للحركة باستخدام طريقة لاغرانج، مع الأخذ بعين الاعتبار كل من تأرجح البندول والتأثيرات الجيروسكوبية. تم دراسة نوعين من طرق التثبيت: التثبيت السلبي والتثبيت النشط. في الحالة السلبية، يدور الجيروسكوب بسرعة ثابتة، ويتم تحليل تأثيره على استجابة البندول للاهتزاز من خلال تغيير تردد الإثارة ونسبة سرعة الدوران. أظهرت النتائج أن الجيروسكوب السلبي قادر على تقليل الاهتزازات بشكل ملحوظ بالقرب من التردد الطبيعي للنظام، حيث يعمل كأداة امتصاص اهتزاز ميكانيكية. أما في الحالة النشطة، فيتم تطبيق عزم تحكم على الجيروسكوب لتعزيز استقرار النظام بشكل أكبر. تم تصميم استراتيجية تحكم تعتمد على خطية التغذية الراجعة، والتي تقوم بتحويل النظام غير الخطي إلى نظام خطي مكافئ لتسهيل تصميم المتحكم. تم ضبط معاملات المتحكم باستخدام تقنيات تحسين لأجل تقليل الإزاحة الزاوية للبندول. كما تم إجراء محاكاة في مجال الزمن لمقارنة الأداء بين طريقتي التثبيت السلبي والنشط. أظهرت النتائج أن كلا الطريقتين فعالتان في تقليل تأرجح البندول، لكن التثبيت النشط يقدم أداءً أفضل من حيث سرعة الاستجابة وتقليل الاهتزازات

English Abstract

This thesis presents a study on the dynamics and stabilization of a pendulum system using both passive and active gyrostabilizer. The main goal is to improve the stability of the pendulum when it is exposed to external excitations, such as base excitation. The system includes a pendulum coupled with a gyrostabilizer mounted at its pivot. The gyrostabilizer generates gyroscopic torques due to its spinning motion, which are used to isolate external vibration that is applied to the pendulum. To analyze the system, the nonlinear equations of the coupled system are derived using Lagrange’s method. Two types of stabilization methods are studied: passive and active. In the passive case, the gyrostabilizer spins at a constant speed, and its effect on the pendulum’s frequency response is analyzed by sweeping through different excitation frequencies and spin ratios. The results show that the passive gyrostabilizer can reduce vibrations significantly near the system’s natural frequency, acting like a mechanical vibration absorber. In the active case, a control torque is applied to the gyrostabilizer to further enhance the system’s stability. A feedback linearization control strategy is developed, which transforms the nonlinear system into an equivalent linear system to make the control design easier. The controller gains are tuned using optimization techniques to reduce the pendulum’s xiii angular displacement. Time and frequency domain simulations are performed to compare the passive and active stabilization approaches. The results show that both methods are effective in reducing pendulum’s oscillation. However, the active control achieves faster response and larger vibration reduction.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Alsolihat, Mohammed Khair
Committee Members:	Bashmal, Salem Mohamed and Al Shaqaq, Mustafa
Depositing User:	ALI ALZOUBI (g202215620)
Date Deposited:	10 Aug 2025 06:07
Last Modified:	10 Aug 2025 06:07
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143645