Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

Nas últimas décadas, intensas pesquisas estão sendo desenvolvidas na área de controle ativo de vibrações utilizando estruturas flexíveis e transdutores piezoelétricos distribuídos em sua superfície. Este trabalho possui como objetivo a implementação, identificação e a aplicação do controle ativo de vibrações em barras engastadas. Os transdutores piezoelétricos são fixados próximos à extremidade fixa da barra. Um sistema de aquisição de sinais e de controle é utilizado para gravar os dados experimentais e implementar os projetos dos controladores de vibrações. Para a implementação computacional foi utilizado o software Matlab operando em conjunto com uma placa dSpace DS1104. A identificação do sistema, efetuada a partir da resposta em frequência das barras, é realizada considerando apenas os três primeiros modos de vibração das barras. Um modelo teórico que representa a dinâmica do sistema é apresentado e seus parâmetros são ajustados de acordo com dados experimentais, obtidos em ensaios, com a estrutura flexível. Para o problema de rejeição a perturbações e regulação de posição, são aplicados os métodos de controle conhecidos como Positive Position Feedback (PPF) e de Alocação de Pólos. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a eficácia do controle ativo de vibrações, utilizando transdutores piezoelétricos. / In recent decades, intensive researches have been developed in the area of active vibration control making use of flexible structures and piezoelectric transducers distributed on its surface. This work aims to identify, implement and apply the active control of vibrations in cantilevers beams. The piezoelectric transducers are surface-bonded near the fixed end of cantilever beam. A data acquisition and control system is used to record experimental data and to implement the design of a vibration controller. The software Matlab operating in conjunction with a board dSpace DS1104 was used for the computational implementation. The identification system, made from the frequency response of the cantilevers beams, is performed by considering only the first three modes of vibration of the cantilevers beams. A theoretical model representing the system dynamics is presented and its parameters are adjusted according to experimental data, obtained in tests, with the flexible structure. As for the problem of disturbance rejection and regulation position, control methods known as Positive Position Feedback (PPF) and Pole Placement are applied. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of active control of vibration using piezoelectric transducers.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Orientador: Paulo Roberto Gardel Kurka / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-22T16:15:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GonzalezRamos_Paola_M.pdf: 2350436 bytes, checksum: 0bb7c5bf390b9cfd31a3794e71412581 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O uso de manipuladores longos e flexíveis em veículos de exploração autônoma, ao contrário dos braços curtos e rígidos, pode ser uma forma de obter dados de um ambiente específico de longo alcance, como encostas de terreno e penhascos. A desvantagem de se utilizar uma estrutura flexível é a dificuldade de controlar os seus movimentos de vibração durante a operação. Este trabalho, portanto, tem como objetivo principal projetar um controle de vibração ativa para uma viga flexível longa, deformável pela ação de um cabo fixado em sua extremidade. O controle pretende minimizar os movimentos oscilatórios da ponta da viga decorrentes de perturbações externas. A projeção do controle baseia-se no modelo matemático em tempo continua da viga, realizado pelo método de elementos finitos. A estratégia de controle é calculada com um modelo reduzido do sistema, no qual estão contidos os modos dominantes do mesmo. Mostra-se que uma resposta desejada de controle é obtida aplicando-se o método de alocação de pólos / Abstract: The use of long manipulators in autonomous exploration vehicles, as opposed to short and rigid arms, may be an attractive way to collect data in specific long range environments such as terrain slopes and cliff sides. The drawback of employing such a flexible structure is the fact that its vibrations cannot be easily controlled in real time operation. This work has the principal objective to project an active vibration control of a long flexible beam which is deformed by action of a pulling cable, fixed to its extremity. The control aims to minimize the oscillatory movements of the bean's tip caused by external disturbances. The control strategy is based on the continuous time mathematical model of the beam, using the finite element method. The control strategy is calculated in a reduced model system which contains the dominant modes of the same. It is shown that an adequate control response is obtained using the method of allocation of poles / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestra em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T00:36:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_DanielAugusto_D.pdf: 10049171 bytes, checksum: 63439cd1c1df78b669ff99ba303ad488 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Partindo-se do princípio de que detectar falhas em sistemas realimentados pode ser considerada tarefa difícil, nessa tese é proposto um método para detecção de falhas de sensores em estruturas flexíveis sujeitas a controle ativo de vibração. O método é baseado num esquema com banco de estimadores para geração de resíduos e no uso de indicadores para a análise quantitativa desses resíduos. O esquema de banco de estimadores permite o isolamento das falhas. Os estimadores utilizados são observadores de saída, filtros de Kalman e filtros H-infinito. Já os indicadores propostos são versões modificadas da diferença entre os valores RMS das saídas medidas e estimadas, a soma do módulo do erro de estimativa, a soma quadrática do erro de estimativa e o modal assurance criterion. É proposto um reescalamento dos indicadores e também um novo indicador, definido pelo produto das versões modificadas e reescaladas dos indicadores clássicos. Inicialmente a técnica foi validada em simulações, primeiro com um modelo de elementos finitos de uma estrutura de placa e posteriormente com um modelo de placa identificado experimentalmente, ambos sob controle ativo de vibração. Experimentos com a estrutura de placa também foram realizados e comprovaram a eficácia da técnica / Abstract: Assuming that fault detection in feedback systems can be considered a hard task, it is proposed in this thesis a method for sensor fault detection in flexible structures subjected to active vibration control. The method is based on a scheme with bank of estimators for residual generation and indicators for quantitative analysis of residues. The bank estimators scheme allows the fault isolation. The estimators used are output observers, Kalman filters and H-infinity filters. The proposed indicators are modified versions of the difference between RMS values of measured and estimated outputs, the sum of the modulus of the estimation error, the quadratic sum of the estimation error and the modal assurance criterion. It is proposed a rescaling of the indicators and also a new indicator, defined by the product of the modified and rescaled versions of classical indicators. Initially the technique is validated in simulations, first with a finite element model of a plate structure and latter with an experimentally identified plate model, both under active vibration control. Experiments with the plate were also performed and proved the effectiveness of the technique / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T23:04:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ArizaZambrano_WilliamCamilo_M.pdf: 5789145 bytes, checksum: 151f5e3ef1780d5448a7073b85b4715f (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal o estudo de um método de controle baseado no uso de redes neurais artificiais aplicado ao problema de controle de vibrações em estruturas flexíveis. Este trabalho centra-se no estudo do esquema de controle inverso-direto, que consiste em identificar a dinâmica inversa da planta através de uma rede neural artificial para ser usada como controlador. Três exemplos de aplicação foram resolvidos utilizando-se controladores projetados com o método inverso-direto. A primeira aplicação é o controle de vibrações em uma estrutura mecânica de parâmetros concentrados. O segundo exemplo de aplicação é o controle de vibrações de uma placa engastada em uma de suas extremidades. Neste caso, a placa engastada foi modelada utilizando-se o método de elementos finitos. No seguinte exemplo, o modelo da placa usado no exemplo anterior foi reduzido, deixando apenas os primeiros modos de vibração. No último exemplo tratou-se o problema de controle não colocado das vibrações em uma placa engastada. Os resultados foram analisados a partir da resposta temporal e da resposta em frequência do sistema em malha fechada. Para comparar os resultados obtidos utilizando-se o método de controle baseado em redes neurais artificiais, os exemplos citados anteriormente foram também resolvidos utilizando-se o método de controle ??. Os resultados obtidos demonstram que o método de controle baseado em modelo inverso usando redes neurais foi eficaz na resolução deste tipo de problema / Abstract: The goal of this work is to study a control method based on artificial neural networks applied to the vibration control of flexible structures problem. This work focuses in the direct-inverse control scheme which consists of identifing the inverse dynamics of the plant through an artificial neural network to be used as the controller. Three application examples using the direct-inverse method were solved. The first application is the vibration control in a mechanical structure of concentrated parameters. The second application example is the vibration control of a cantilever plate. The cantilever plate was modeled using the finite elements method. In the third example, a reduction of the cantilever plate model was made. In the last example a non-collocated control problem of vibration in a cantilever plate was treated. The results of the scheme were evaluated according to the temporal response and the frequency response of the closed-loop system. In order to compare the results obtained using the control method based on artificial neural networks, the previous examples were also solved using the ?? control method. The obtained results show that the control method based on inverse model using neural networks was effective in solving this kind of problem / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Shape memory alloys (SMAs) are materials that show reversible, thermo-elastic, diffusionless, displacive (solid to solid) phase transformation, due to the application of temperature and/ or stress (/strain). Among different SMAs, NiTi is a popular one. NiTi shows reversible phase transformation, the shape memory effect (SME), where irreversible deformations are recovered upon heating, and superelasticity (SE), where large strains imposed at high enough temperatures are fully recovered. Phase transformation process in NiTi SMA is a very complex process that involves the competition between developed internal strain and phonon dispersion instability. In NiTi SMA, phase transformation occurs over a wide range of temperature and/ or stress (strain) which involves, evolution of different crystalline phases (cubic austenite i.e. B2, different monoclinic variant of martensite i.e. B19', and orthorhombic B19 or BCO structures). Further, it is observed from experimental and computational studies that the evolution kinetics and growth rate of different phases in NiTi SMA vary significantly over a wide spectrum of spatio-temporal scales, especially with length scales. At nano-meter length scale, phase transformation temperatures, critical transformation stress (or strain) and phase fraction evolution change significantly with sample or simulation cell size and grain size. Even, below a critical length scale, the phase transformation process stops. All these aspects make NiTi SMA very interesting to the science and engineering research community and in this context, the present focuses on the following aspects. At first this study address the stability, evolution and growth kinetics of different phases (B2 and variants of B19'), at different length scales, starting from the atomic level and ending at the continuum macroscopic level. The effects of simulation cell size, grain size, and presence of free surface and grain boundary on the phase transformation process (transformation temperature, phase fraction evolution kinetics due to temperature) are also demonstrated herein. Next, to couple and transfer the statistical information of length scale dependent phase transformation process, multiscale/ multiphysics methods are used. Here, the computational difficulty from the fact that the representative governing equations (i.e. different sub-methods such as molecular dynamics simulations, phase field simulations and continuum level constitutive/ material models) are only valid or can be implemented over a range of spatiotemporal scales. Therefore, in the present study, a wavelet based multiscale coupling method is used, where simulation results (phase fraction evolution kinetics) from different sub-methods are linked via concurrent multiscale coupling fashion. Finally, these multiscale/ multiphysics simulation results are used to develop/ modify the macro/ continuum scale thermo-mechanical constitutive relations for NiTi SMA. Finally, the improved material model is used to model new devices, such as thermal diodes and smart dampers.

Vibration-based energy harvesting using piezoelectric materials have been investigated by several research groups with the aim of harvesting maximum energy and providing power to low-powered wireless electronic systems for their entire operational life. The electromechanical coupling effect introduced by the piezoelectric vibration energy harvesting (PVEH) mechanism presents modelling challenges. For this reason, there has been a continuous effort to develop different modelling techniques to describe the PVEH mechanism and its effects on the dynamics of the system. The overall aims of this thesis are twofold: (1) a thorough theoretical and experimental analysis of a PVEH beam or assembly of beams; (2) an in-depth analytical and experimental investigation of the novel concept of a dual function piezoelectric vibration energy harvester beam/tuned vibration absorber (PVEH/TVA) or 'electromechanical TVA' and its potential application to vibration control. The salient novel contributions of this thesis can be summarised as follows: (i) An in-depth experimental validation of a PVEH beam model based on the analytical modal analysis method (AMAM), with the investigations conducted over a wider frequency range than previously tested. (ii) The precise identification of the electrical loads that harvest maximum power and that induce maximum electrical damping. (iii) A thorough investigation of the influence of mechanical damping on PVEH beams. (iv) A procedure for the exact modelling of PVEH beams, and assemblies of such beams, using the dynamic stiffness matrix (DSM) method. (v) A procedure to enhance the power output from a PVEH beam through the application of a tip rotational restraint and the use of segmented electrodes. (vi) The theoretical basis for the novel concept of a dual function PVEH beam/TVA, and its realisation and experimental validation for a prototype device. A thorough experimental validation of a cantilever piezoelectric bimorph energy harvester without a tip mass is presented under random excitation. The study provided a deep insight into the effect of PVEH on the dynamics of the system for variations in electrical load. An alternative modelling technique to AMAM, based on the DSM, is introduced for PVEH beams. Unlike AMAM, the DSM is exact, since it is based on the exact solution to the bending wave equation. It also readily lends itself to the modelling of beams with different boundary conditions or assemblies of beams of different crosssections. AMAM is shown to converge to DSM if a sufficiency of modes is used. Finally, an in-depth theoretical and experimental investigation of a prototype PVEHbeam/TVA device is presented. This device comprises a pair of bimorphs shunted by R-L-C circuitry and can be used as a tuned mass damper (TMD) to attenuate a vibration mode of a generic structure. The optimal damping required by this TMD is generated by the PVEH effect of the bimorphs. Such a device combines the advantages of conventional mechanical and electrical TVAs, overcoming their relative disadvantages. The results demonstrate that the ideal degree of attenuation can be achieved by the proposed device through appropriate tuning of the circuitry, thereby presenting the prospect of a novel class of 'electromechanical' tuned vibration absorbers.

Orientador: Alberto Luiz Serpa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-27T04:19:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 HuamanOrtiz_RonaldRichard_M.pdf: 3700691 bytes, checksum: e0c35e9a16c6fd36ae433ab9a61c6cbb (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: O projeto de sistemas de controle ativo de vibrações para estruturas flexíveis envolve a síntese de controladores que, geralmente, reduzem certos picos da resposta em frequência do sistema em malha fechada. Em alguns casos é requerido controlar unicamente um modo de vibrar específico do sistema em análise que pode estar associado a uma faixa de baixa, média ou alta frequência, o que demanda de um controle modal de vibrações. Neste trabalho, propõem-se três métodos alternativos para sintetizar controladores modais utilizando a teoria de controle H-infinito em uma configuração de controle por realimentação de saída. O primeiro método é implementado utilizando funções de ponderação as quais são introduzidas no problema de controle H-infinito para definir as características do controlador de maneira que este atenue a vibração do sistema na região em frequência correspondente ao modo que se deseja controlar (modo de interesse). O segundo método procura sintetizar controladores modais de menor ordem, utilizando uma planta reduzida. Essa planta reduzida contém unicamente a informação dinâmica do modo que se deseja controlar e é obtida através de uma transformação modal. O terceiro método procura melhorar o desempenho do controlador modal (conseguir uma maior redução da vibração do modo de interesse). Este método propõe sintetizar o controlador modal formulando um problema de otimização não linear onde as variáveis do controlador modal são as variáveis de otimização e a função objetivo é definida com valores específicos da resposta em frequência do sistema dinâmico. A solução deste problema de otimização é obtida utilizando o algoritmo de programação quadrática sequencial (SQP). Os três métodos são verificados utilizando o modelo de uma viga flexível engastada que é modelada através do método dos elementos finitos. Finalmente, os resultados obtidos são discutidos analisando as vantagens e desvantagens dos métodos propostos / Abstract: The design of active vibration control systems for flexible structures involves the tuning of controllers that reduce, generally, certain frequency resonance peaks of the close loop system. In some cases it is required to control a specific vibration mode of the system from a low, middle or high frequency range, demanding a modal vibration control. In this study it is proposed three alternative modal control methods using the H-infinity control theory in an output feedback control configuration. The first method is implemented using weighting functions which are introduced into the H-infinity control problem to define the characteristics of the controller so that it mitigates the system vibration in the frequency region that corresponds to a specific vibration mode (mode of interest). The second method attempts to synthesize lower order modal controllers, using a reduced plant. This reduced plant contains only the dynamic information of the vibration mode you want to control and is obtained through a modal transformation. The third method aims to improve the performance of the modal controller (to achieve a further reduction of the vibration mode of interest). This method proposes to synthesize the modal controller formulating a non-linear optimization problem where the variables of the modal controller are defined as the optimization variables and the objective function is defined with specific values of the frequency response of the dynamic system. The solution to this optimization problem is obtained using the sequential quadratic programming (SQP) algorithm. The three methods are verified using the model of a cantilever flexible beam that is modeled by the finite element method. Finally, the results are discussed considering the advantages and disadvantages of the proposed methods / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica