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.

O mecanismo Plataforma de Stewart é um manipulador do tipo paralelo, com seis graus de liberdade, boa relação peso/carga e alta rigidez. Tais características conferem a este tipo de manipulador propriedades superiores de precisão em relação aos manipuladores seriais. Neste trabalho, o controle de um Manipulador Plataforma de Stewart (MPS) acionado por atuadores hidráulicos é estudado com o objetivo de compensação de movimentos para viabilização de transferência de cargas e pessoas em ambiente naval.Visando ao desenvolvimento de um protótipo experimental, o manipulador é estudado considerando a situação em que se encontra sobreposto a um segundo MPS que tem por objetivo simular o movimento da maré, sendo ambos MPS considerados desacoplados dinamicamente. Neste contexto, o estudo envolve a análise cinemática e dinâmica do manipulador incluindo, também, a dinâmica dos cilindros hidráulicos. Além disso, são estudadas unidades de medição inercial (IMU) utilizando-as como instrumento para medição do movimento da base a ser compensado. O projeto do controlador do sistema de atenuação de movimento faz uso da técnica de Torque Computado (TC). A análise de estabilidade, feita separadamente para o sistema mecânico e hidráulico, baseou-se da teoria de Lyapunov. Simulações realizadas considerando trajetórias similares às do movimento de um navio são utilizadas. Para compensação do movimento são utilizados, também, sinais provenientes de uma IMU. Por meio de simulação, comprova-se que o sistema proposto é capaz de compensar adequadamente os movimentos da base estudados. / The Stewart platform mechanism is a parallel manipulator with six degrees of freedom, high load/weight ratio and high stifness. These properties give them a better accuracy when compared to serial manipulators. This work focuses on study of electrohydraucally Stewart Platform Manipulators (MPS) to enable compensation of vessels motions for load and personell transfer in sea. Aimed at developing an experimental prototype, a second MPS is placed underneath the rst MPS to simulate vessels motions and so both manipulators are considered dynamically decoupled. In this sense, the kinematics and dynamics of this manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic actuator. Furthermore, special attention is given to the study of inertial measurement units (IMU) which is used as an instrument for measuring the motion to be compensated. Controller design for the compensation system is developed considering compute torque theory which consider the system separated in two: mechanical and hydraulic. The Lyapunov criteria is used to guarantee closed loop stability for each subsystem. Simulations are performed considering similar vessel motions. Signals provided from a comercial IMU are used for motion compensation. The control compensation performance is veri ed by means of computer simulations.

Este trabalho apresenta a proposta de topologia para um atuador planar sem núcleo ferromagnético na armadura, sua análise teórica em termos de forças de tração que nele atuam, seu desenvolvimento e resultados teóricos e experimentais obtidos como base em um protótipo construído. O atuador planar tem características inovadoras: uma armadura estacionária sem ferro com enrolamentos ortogonais e dois carros acoplados magneticamente um ao outro com quatro ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético. A armadura desse estator é composta por enrolamentos planares multifases colocados de tal maneira que dois enrolamentos ortogonais independentes são produzidos e assim definem duas forças de propulsão ortogonais. Cada carro possui uma culatra de aço que suporta os ímãs permanentes e que está ligada a uma estrutura de suspensão mecânica para permitir o movimento bidirecional sobre a área definida pela armadura. Esse tipo de atuador pode ser usado em aplicações que requerem o movimento em qualquer direção ao longo de um plano. O protótipo desenvolvido neste trabalho foi testado com a finalidade de validar suas características estáticas de operação com relação à análise numérica e o modelo analítico. Os valores de densidade de fluxo magnético no entreferro e de força planar de propulsão, obtidos através de ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através da simulação numérica e do modelo analítico. Para os ensaios de força normal este trabalho preocupou-se em analisar numérica e experimentalmente os resultados, que também apresentaram valores convergentes e satisfatórios para os itens propostos. Para os ensaios do atuador planar com regulagem de entreferro de 12 mm e 24 mm foram encontradas sensibilidades médias da força planar de propulsão de 7,19 N/A e 4,13 N/A respectivamente. / This work presents a proposal of topology of a planar actuator with an ironless armature core, its theoretical analysis in terms of the driving forces that acting on the actuator, its development, the theoretical and experimental results obtained for an implemented prototype. Such planar actuator has innovative features: a stationary and ironless armature core with orthogonal planar windings and two cars magnetically coupled to each other by means of four high energy-product NdFeB permanent magnets. The stator of the actuator comprehends an ironless core with two sets of multiphase windings placed in such a way that two independent orthogonal windings form the armature in a way that allows the yielding of two orthogonal propulsion forces. Each car has a back iron which supports two permanent magnets and is supported by a suspension structure to allow bidirectional movement of the coupled cars. This type of actuator can be used in applications that require the movement in any direction over a plane. The prototype of this study was tested in order to validate their static characteristics of operation with respect to the numerical analysis and the analytical model. The values of magnetic flux density in the air gap and the planar propulsion force obtained through testing, showed a good agreement with the values obtained by numerical simulation and analytical model. The normal force tests showed good agreement with the results of the numerical analysis. The tests of planar actuator with air gaps of 12 mm and 24 mm were found to produce an average sensitivity of the planar propulsion force of 7.19 N/A and 4.13 N/A respectively.

No presente trabalho, é realizada a modelagem e identificação de um serovoposicionador hidráulico de uma bancada de testes. As expressões analíticas tradicionalmente utilizadas em uma estratégia em cascata aplicada ao controle de trajetória de posição são obtidas. A estratégia em questão utiliza, conjuntamente, a linearização por realimentação como lei de controle do subsistema hidráulico e a lei de controle de Slotine e Li no subsistema mecânico. Com base na mesma estratégia, um controlador em cascata neural é proposto. Em tal controlador, a função analítica que representa o mapa inverso, presente na linearização por realimentação, e a função de compensação de atrito utilizada na lei de Slotine e Li são substituídas por funções constituidas por meio de redes neurais de perceptrons de múltiplas camadas. Essas redes neurais têm como entradas os estados do sistema e também a temperatura do fluido hidráulico. O novo controlador é apresentado em uma versão onde as redes neurais são aplicadas sem modificações on-line e em outra, onde são apresentadas leis de controle adaptativo para as mesmas. A prova de estabilidade do sistema em malha fechada é apresentada em ambos os casos. Resultados experimentais do controle de seguimento de trajetórias de posição em diferentes temperaturas do fluido hidráulico são apresentados. Esses resultados demonstram a maior efetividade do controlador proposto em relação aos controladores clássicos PID e PID+feefforward e ao controlador em cascata com funções analíticas fixas. Os experimentos são realizados em duas situações: quando não ocorrem variações paramétricas importantes no sistema, onde é utilizado o controlador em cascata neural fixo e quando ocorrem essas variações, onde se utiliza o controlador em cascata neural adaptativo. / In this work, the modeling and identification of a hydraulic actuator testing setup are performed and the analytical expressions that are used in a cascade control strategy applyied in a position trajectory tracking control are designed. Such cascade strategy uses the feedback linearization control law in the hydraulical subsystem and the Slotine and Li control law in the mechanical one. Based on this cascade strategy, a neural cascade controller is proposed, for which the analytical function used as inversion set in the feedback linearization control law and the friction function compensation of the Slotine and Li control law are replaced by multi layer perceptrons neural networks where the inputs are the states of the system and the hydraulic fluid temperature. The novel controller is introduced in two different aproachs: the first one where the neural networks do not have on-line modifications and the second one where adaptive control laws are proposed. For both of them the stability proof of the closed-loop system is presented. Experimental results about some position tracking controls performed in different fluid temperature are showed. The results show that the novel controller is more efective than the classical PID, PID+feedforward and the traditional analytical cascade controller. The experiments are performed in two different setups: considering the system without importants parametric variations where is applied the non adaptive cascade neural controller and in the presence of parametric variations where is applied the adaptive cascade neural controller.

Os atuadores hidráulicos são usados em muitas aplicações e áreas de trabalho devido à sua capacidade para manipular grandes forças com baixa inércia, pouca vibração e capacidade de trabalho por longos períodos de tempo. Entretanto, o maior problema no uso destes tipos de atuadores são as características dinâmicas tais como não-linearidade e variação de parâmetros, as quais dificultam seu controle em malha fechada. Assim, para controlar sistemas hidráulicos, é necessário o uso de modelos matemáticos não lineares e a aplicação de leis de controle complexas para obter um seguimento de trajetória com alta precisão. O objetivo principal deste trabalho é a obtenção de um sistema que siga com precisão as trajetórias de referência do tipo senoidais. Para tanto, este trabalho aborda o projeto de uma lei de controle por realimentação de estados (feedback linearization) combinada com o princípio do modelo interno para aplicar no sistema hidráulico de atuação de uma máquina de ensaios de fadiga. O princípio do modelo interno é aplicado utilizando um compensador dinâmico (que contém pólos imaginários com a mesma freqüência que o sinal de referência) num laço externo do sistema linearizado por realimentação de estados. Uma lei de controle do tipo realimentação de estados, considerando os estados do sistema linearizado e os do compensador dinâmico, é projetada para garantir estabilidade no sistema de malha fechada. A fim de avaliar a estratégia de controle proposta são discutidos e apresentados simulações do modelo experimental. / Hydraulic actuators are used in many applications due to their ability in driving large forces with low inertia and little vibration for a long period of time. However, the main problem in controlling these kinds of systems concerns their dynamics, which presents several nonlinearities and parameters variations. Thus, to control hydraulic systems, appropriated nonlinear models and complex control techniques to achieve a stable force regulation with a specified performance are necessary. The purpose of this work is the application of a feedback linearization scheme in the design of a force controller for a hydraulic actuator used in a fatigue test machine. The main control objective considered regards the achievement of sinusoidal force reference tracking. With this aim the internal model principle is applied by using a dynamic compensator (containing imaginary poles with the same frequency of the force reference) in an outer regulation loop. A state feedback control law, considering both the states of the feedback linearized hydraulic system and the ones of the dynamic compensator, is therefore designed in order to stabilize the whole closed-loop system. Experimental model identification and simulation control results are presented and discussed.

Este trabalho apresenta a proposta de topologia para um atuador planar sem núcleo ferromagnético na armadura, sua análise teórica em termos de forças de tração que nele atuam, seu desenvolvimento e resultados teóricos e experimentais obtidos como base em um protótipo construído. O atuador planar tem características inovadoras: uma armadura estacionária sem ferro com enrolamentos ortogonais e dois carros acoplados magneticamente um ao outro com quatro ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético. A armadura desse estator é composta por enrolamentos planares multifases colocados de tal maneira que dois enrolamentos ortogonais independentes são produzidos e assim definem duas forças de propulsão ortogonais. Cada carro possui uma culatra de aço que suporta os ímãs permanentes e que está ligada a uma estrutura de suspensão mecânica para permitir o movimento bidirecional sobre a área definida pela armadura. Esse tipo de atuador pode ser usado em aplicações que requerem o movimento em qualquer direção ao longo de um plano. O protótipo desenvolvido neste trabalho foi testado com a finalidade de validar suas características estáticas de operação com relação à análise numérica e o modelo analítico. Os valores de densidade de fluxo magnético no entreferro e de força planar de propulsão, obtidos através de ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através da simulação numérica e do modelo analítico. Para os ensaios de força normal este trabalho preocupou-se em analisar numérica e experimentalmente os resultados, que também apresentaram valores convergentes e satisfatórios para os itens propostos. Para os ensaios do atuador planar com regulagem de entreferro de 12 mm e 24 mm foram encontradas sensibilidades médias da força planar de propulsão de 7,19 N/A e 4,13 N/A respectivamente. / This work presents a proposal of topology of a planar actuator with an ironless armature core, its theoretical analysis in terms of the driving forces that acting on the actuator, its development, the theoretical and experimental results obtained for an implemented prototype. Such planar actuator has innovative features: a stationary and ironless armature core with orthogonal planar windings and two cars magnetically coupled to each other by means of four high energy-product NdFeB permanent magnets. The stator of the actuator comprehends an ironless core with two sets of multiphase windings placed in such a way that two independent orthogonal windings form the armature in a way that allows the yielding of two orthogonal propulsion forces. Each car has a back iron which supports two permanent magnets and is supported by a suspension structure to allow bidirectional movement of the coupled cars. This type of actuator can be used in applications that require the movement in any direction over a plane. The prototype of this study was tested in order to validate their static characteristics of operation with respect to the numerical analysis and the analytical model. The values of magnetic flux density in the air gap and the planar propulsion force obtained through testing, showed a good agreement with the values obtained by numerical simulation and analytical model. The normal force tests showed good agreement with the results of the numerical analysis. The tests of planar actuator with air gaps of 12 mm and 24 mm were found to produce an average sensitivity of the planar propulsion force of 7.19 N/A and 4.13 N/A respectively.

O mecanismo Plataforma de Stewart é um manipulador do tipo paralelo, com seis graus de liberdade, boa relação peso/carga e alta rigidez. Tais características conferem a este tipo de manipulador propriedades superiores de precisão em relação aos manipuladores seriais. Neste trabalho, o controle de um Manipulador Plataforma de Stewart (MPS) acionado por atuadores hidráulicos é estudado com o objetivo de compensação de movimentos para viabilização de transferência de cargas e pessoas em ambiente naval.Visando ao desenvolvimento de um protótipo experimental, o manipulador é estudado considerando a situação em que se encontra sobreposto a um segundo MPS que tem por objetivo simular o movimento da maré, sendo ambos MPS considerados desacoplados dinamicamente. Neste contexto, o estudo envolve a análise cinemática e dinâmica do manipulador incluindo, também, a dinâmica dos cilindros hidráulicos. Além disso, são estudadas unidades de medição inercial (IMU) utilizando-as como instrumento para medição do movimento da base a ser compensado. O projeto do controlador do sistema de atenuação de movimento faz uso da técnica de Torque Computado (TC). A análise de estabilidade, feita separadamente para o sistema mecânico e hidráulico, baseou-se da teoria de Lyapunov. Simulações realizadas considerando trajetórias similares às do movimento de um navio são utilizadas. Para compensação do movimento são utilizados, também, sinais provenientes de uma IMU. Por meio de simulação, comprova-se que o sistema proposto é capaz de compensar adequadamente os movimentos da base estudados. / The Stewart platform mechanism is a parallel manipulator with six degrees of freedom, high load/weight ratio and high stifness. These properties give them a better accuracy when compared to serial manipulators. This work focuses on study of electrohydraucally Stewart Platform Manipulators (MPS) to enable compensation of vessels motions for load and personell transfer in sea. Aimed at developing an experimental prototype, a second MPS is placed underneath the rst MPS to simulate vessels motions and so both manipulators are considered dynamically decoupled. In this sense, the kinematics and dynamics of this manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic actuator. Furthermore, special attention is given to the study of inertial measurement units (IMU) which is used as an instrument for measuring the motion to be compensated. Controller design for the compensation system is developed considering compute torque theory which consider the system separated in two: mechanical and hydraulic. The Lyapunov criteria is used to guarantee closed loop stability for each subsystem. Simulations are performed considering similar vessel motions. Signals provided from a comercial IMU are used for motion compensation. The control compensation performance is veri ed by means of computer simulations.

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.

A Plataforma de Stewart é um dos exemplos mais populares dos manipuladores do tipo paralelo, disponibilizando 6 graus de liberdade, apresentando ao mesmo tempo propriedades superiores de precisão e relação peso/carga, quando comparadas com mecanismos do tipo serial, o que a converte em uma opção atrativa para ser aplicada como simulador de movimentos. Neste contexto, o presente trabalho estuda o controle de seguimento de trajetória de um Manipulador Plataforma Stewart (MPS) com atuadores hidráulicos para ser aplicado como simulador de movimentos de navios. O estudo envolve a análise da cinemática, dinâmica, e controle do manipulador, incluindo a modelagem matemática dos cilindros hidráulicos usados como atuadores. Atenção especial é dispendida à formulação da dinâmica do MPS no espaço de juntas, procurando demonstrar a propriedade de antissimmetría das Matrizes de Inércia e Coriolis. O controle proposto foi validado como estável pelo critério de Lyapunov, e, leva em consideração tanto o sistema mecânico da Plataforma de Stewart, quanto o sistema de acionamento hidráulico dos atuadores. Através de simulações de controle usando trajetórias similares às do movimento de um navio, comprovou-se que o sistema proposto consegue disponibilizar fielmente os movimentos de uma embarcação. / The Stewart Platform is one of the most representative examples of parallel manipulators. It has six degrees of freedoms, and superior precision and load/weight ratio when compared to serial manipulators, properties that make them suitable and attractive options for motion simulation applications. In this sense, this work focuses on robust tracking control design for a high load capacity hydraulically driven Stewart Platform manipulator, capable of vessel motion simulations. The kinematic, dynamic and control analysis of the manipulator are presented, as well as a mathematical model of the hydraulic cylinders used as actuators. Especial attention is given to the derivation of the manipulator dynamics formulation, the skew symmetric property of the Inertia and Coriolis matrices is carefully proven in both Cartesian and joint state spaces. The proposed controller takes into consideration the manipulator mechanical dynamics and the actuators hydraulic dynamics. Furthermore, the Lyapunov criteria is used to guarantee control closed loop stability. The control performance is verified by means of computer simulations.

Atuadores piezelétricos são dispositivos que permitem a conversão de energia elétrica em energia mecânica. Dentre os atuadores piezelétricos, destacam-se os bilaminares, que consistem em duas piezocerâmicas de polarização oposta (ou excitadas com cargas de sinal contrário) com um substrato entre elas. Os atuadores piezelétricos também podem ser miniaturizados, alcançando a escala de MEMS (Micro-Electric-Mechanical System). Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia utilizando o Método de Otimização Topológica (MOT) para o projeto de atuadores piezelétricos com múltiplos graus de liberdade baseados no princípio bilaminar. A fase de projeto consiste na utilização do MOT para a determinação de uma configuração de atuadores que maximizem o deslocamento numa direção e sentido especificados para uma restrição na quantidade de material utilizado em cada camada, considerando a polarização da cerâmica piezelétrica presente nessa configuração e o acoplamento e simetria entre as camadas. Para a simulação do atuador é utilizado o Método dos Elementos Finitos (MEF) através de um elemento de placa piezelétrica isoparamétrico de oito nós expandido. O MOT, neste trabalho, utiliza o modelo de material denominado PEMAP-P (Material Piezelétrico com Penalização e Polarização). A técnica de projeção é utilizada junto ao MOT para a obtenção de um resultado com uma geometria bem definida. O problema de otimização é resolvido através de Programação Matemática Sequencial (PMS) através do algoritmo GCMMA (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). Como exemplo é estudado o projeto de um atuador piezelétrico para microespelhos. Dentre as configurações obtidas pelo MOT, uma é fabricada utilizando as técnicas de corte a laser e colagem e, posteriormente, é caracterizada. Finalmente, é realizada a comparação entre os resultados de simulação e experimentais do protótipo. / Piezoelectric actuators are devices that allow the conversion of electric energy to mechanical energy. Among the piezoelectric, the bimorph stands. It consists of two piezoceramic plates with opposite polarization (or excited with opposite sign charges) with a substrate between them. The piezoelectric actuators can also be miniaturized in a MEMS scale. This work aims the design of a methodology using the Topology Optimization Method (TOM) for the design of piezoelectric actuators with multiple degrees of freedom using the bimorph principle. The design phase applies the TOM to determine an optimized configuration of actuators that maximizes the output displacement in a specified direction and orientation for a constraint in the amount of material used at each layer, by considering the polarization of the piezoelectric ceramic present on this configuration and the coupling and symmetry between layers. The Finite Element Method (FEM) is applied for actuator simulation through an extended piezoelectric plate isoparametric element with 8 nodes. The TOM in this work employs a material model called PEMAP-P (Piezoelectric Material with Penalization and Polarization). The projection technique is implemented with TOM to obtain a result with a well-defined geometry. The optimization problem is solved by using Sequential Mathematical Programming (SMP) through the GCMMA algorithm (Globally Convergent Method of Moving Asymptotes). As an example, the design of a piezoelectric actuator for micromirrors is studied. Among the configurations obtained by the TOM, one is manufactured using laser cutting and bonding techniques and it is tested. Finally, a comparison between the simulated and experimental results from prototype is performed.