As técnicas de controle ativo de vibrações (AVC) têm sido bastante desenvolvidas em diversas áreas da indústria, especialmente na aeronáutica. O presente trabalho trata de um sistema de controle ativo de vibrações, com múltiplas entradas e múltiplas saídas que atua em uma banda larga de frequências a fim de reduzir os níveis vibratórios de uma estrutura aeronáutica (seção de fuselagem do ERJ 190) sob excitação de um ruído branco. A planta teve suas FRFs reconstituídas à partir da metodologia de autovalores e autovetores, cujos valores são provenientes de um modelo numérico. O algoritmo de controle é o Fx-LMS implementado com estruturas não-recursivas (filtros FIR), tendo 7 entradas e 6 saídas, o qual apresentou reduções na banda de frequência considerada de, aproximadamente, 15dB para todos os pontos controlados. Tais resultados, se inseridos em um contexto de controle de ruído, podem reforçar a vertente do contole de ruído através do controle ativo das vibrações estruturais, técnica atualmente referenciada por ASAC - Acoustic Structural Active Control.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2007-09-28Bitstream added on 2014-06-13T20:27:40Z : No. of bitstreams: 1 palma_pht_me_ilha.pdf: 1160130 bytes, checksum: c476824cdee3537df7d1f3bd914fd37e (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Neste trabalho é discutida a aplicação do controle ativo para atenuação de vibrações mecânicas em estruturas flexíveis. Como atuadores são utilizados os materiais piezelétricos, também conhecidos como materiais inteligentes. O projeto do controlador por realimentação de estados é desenvolvido utilizando a otimização H com restrições de projeto e, a solução matemática do problema é feita através de otimização convexa envolvendo Desigualdades Matriciais Lineares (LMIs). Os estados utilizados para realimentar o sistema são estimados por um observador. Para modelar a estrutura a ser controlada, duas técnicas de identificação experimental são aplicadas: o Algoritmo de Realização de Autosistemas e a Exponencial Complexa. A aquisição dos dados para o processo de identificação é feita para uma limitada faixa de freqüência, apenas para os primeiros modos de vibrar. Os exemplos de aplicação experimental são feitos em uma estrutura do tipo placa e em uma estrutura do tipo treliça. A robustez do projeto do controlador é garantida pelos diferentes métodos e procedimentos de identificação do sistema, obtendo-se mais de um modelo. / In this work is discussed the application of active control to attenuation of mechanical vibrations in flexible structures. Piezoelectric materials are used as actuators, also known as smart materials. The controller design by state feedback is developed using the H optimization with project restrictions, where the mathematical solution of the problem is done by convex optimization involving Linear Matrix Inequalities (LMIs). The states used to feedback the system are estimated by an observer. Two experimental identification approaches are applied, in order to find the mathematical model of the structure: the Eigensysten Realization Algorithm and Complex Exponential. The data acquisition for the identification process is done in a limited frequency band, only including the first vibration modes. The examples of experimental application are done in two kinds of structures: plate and truss structures. The robustness of the controller design is guaranteed by different methods and procedures of identification of the system obtaining more than one model.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-03-03Bitstream added on 2014-06-13T18:31:08Z : No. of bitstreams: 1 goncalvesjr_r_me_ilha.pdf: 1793490 bytes, checksum: 31bd12dfbef20fead2490b33aa2d1148 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo de vibração de rotores utilizando mancais magnéticos. O esquema de controle ativo proposto utiliza a estratégia de controle ativo feedforward sobreposta ao sistema de controle feedback dos mancais magnéticos. O desempenho desse sistema de controle foi analisado em função da flexibilidade dos rotores considerando o impacto do número e da localização dos atuadores e dos sensores de erro sobre a redução dos níveis de vibração desses rotores, tanto em termos de vibração global quanto em termos de vibração local. O sistema de controle foi aplicado em um modelo teórico de rotor desenvolvido através do método da matriz de impedância. / This work presents a theoretical analysis of the performance of a system of active control of rotor vibrations using magnetic bearings. The proposed scheme of active control uses a feedforward active control strategy superimposed on the feedback control system of the magnetic bearings. The performance of this control system was analyzed as a function of the rotor flexibility considering the impact and optimization of the actuators and error sensors placement on the reduction of vibration levels of these rotors, in terms of global vibration as well as in terms of local vibration of the rotor. The control system was applied to a theoretical rotor model developed by the matrix impedance method.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / This work proposes a design methodology of fuzzy controllers for systems that do not offer any intuitive information to the control designer, in order to provide guidelines to construct the fuzzy conventional controllers. The design methodology involves the application of artificial intelligence techniques, where the fuzzy controllers are obtained by an optimization process that uses genetic algorithms. For this optimization procedure, the knowledge of the system dynamics is required. From the experimental inputs and outputs of the system, an artificial neural network is trained and, in that way, it is possible to model the dynamic behavior of the plant. The rule base, the weights of the rules and the input membership functions are optimized. The goal of this methodology is the control the vibrations of complex dynamic systems, such as vibration control of plates instrumented with piezoelectric sensors and actuators. In this work, the fundamentals of fuzzy control, artificial neural networks and genetic algorithms are presented. The proposed control methodology is evaluated numerically and experimentally on the control of a vibratory system with one degree of freedom, and on a steel cantilever test beam. The first system is controlled by electromagnetic actuators and the beam is controlled by piezoelectric actuators. Many controllers are evaluated in time and frequency domains. For the studied cases, it is concluded that the proposed methodology is efficient and also some considerations are made about the future works based of the presented search. / Este trabalho propõe uma metodologia de projeto de controladores fuzzy para sistemas, que não oferecem ao projetista de controle informações intuitivas suficientes para orientá-lo na construção convencional dos controladores fuzzy. A metodologia de projeto envolve a aplicação de técnicas de inteligência artificial, onde os controlares fuzzy são obtidos a partir de um processo de otimização que utiliza os algoritmos genéticos. Esse mecanismo de otimização, por sua vez, requer o conhecimento da dinâmica do sistema. Uma rede neural artificial é então treinada para, a partir de dados de entrada e saída do sistema, modelar o comportamento dinâmico da planta. São otimizados a base de regras, o peso das regras e as funções de pertinência de entrada. A motivação do trabalho é o controle de vibrações em sistemas dinâmicos complexos, como, por exemplo, o controle de vibração em placas instrumentadas com vários sensores e atuadores piezelétricos. O trabalho apresenta os fundamentos do controle fuzzy, das redes neurais artificiais e dos algoritmos genéticos. A metodologia de controle proposta é avaliada numérica e experimentalmente no controle de mesa vibratória de um grau de liberdade e de uma viga de aço engastada-livre. A mesa é controlada por atuadores eletromagnéticos e a viga por atuadores piezelétricos. Diversos controladores são avaliados no domínio do tempo e da freqüência. O trabalho conclui que, para os casos estudados, a metodologia proposta é eficiente e aponta, ainda, nas considerações finais, alguns desdobramentos futuros da pesquisa realizada. / Mestre em Engenharia Mecânica

A realização deste trabalho tem como objetivo fundamental estudar os efeitos dos atuadores de jato sintético no escoamento de uma camada limite desenvolvida sobre uma placa plana e um aerofólio hipotético. A interação dos jatos sintéticos com um escoamento transversal pode conduzir a uma aparente modificação da forma aerodinâmica de corpos rombudos e, dessa forma, fornecer uma maneira de controle da separação na camada limite. Estudos recentes demonstram que tipos diferentes de escoamentos podem ser produzidos pelo atuador dependendo da oscilação da membrana. Um método numérico para solução das equações de Navier-Stokes incompressíveis bidimensionais na formulação vorticidade-velocidade é utilizado neste trabalho. As equações governantes são discretizadas utilizando-se métodos de diferenças finitas compactas de sexta ordem para as derivadas espaciais. A equação de Poisson para a componente da velocidade normal é resolvida por um método iterativo de sobre-relaxação em linhas sucessivas usando um esquema com malha composta para acelerar a convergência. Os resultados de simulações com diferentes valores de freqüência, amplitude e comprimento de fenda foram verificados através de uma análise de Fourier temporal. Através desta análise é verificado qual a melhor situação para se atrasar a separação da camada limite / This work has as a fundamental objective the study of the effects of synthetic jet actuators on the boundary layer flow on a flat plate and on a hypothetical airfoil. The interaction of synthetic jets with transverse flow can lead to an apparent modification in the aerodynamic shape of blunt bodies and, in that way, supply a means of control of transition within the boundary layer. Recent studies demonstrate that different types of flow may be produced by the actuator, depending on the amplitude of oscillation of the membrane. A numerical method for the solution of two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations written in vorticity-velocity formulation is used in this work. The spatial derivatives are discretized with a sixth order compact finite differences scheme. The Poisson equation for the normal velocity component is solved by an iterative line successive over relaxation method and uses a multigrid full approximation scheme to accelerate the convergence. The results of simulations with different values of frequency, amplitude and slot length were verified through a temporal Fourier analysis. By way of this analysis it is verified which are the better parameters for the controlled delay of boundary layer separation

Máquinas rotativas são sempre sujeitas à vibrações mecânicas, em menor ou maior grau, e para garantir um correto funcionamento destas máquinas, evitando falhas de operação, é necessário realizar o controle destas vibrações. Uma das frentes que vem se destacando nesta área é o controle ativo de vibrações. Neste tipo de abordagem as vibrações são controladas ativamente através de um sistema de atuação e de uma técnica de controle a ser empregada de forma satisfatória. Neste contexto, existem inúmeras abordagens da teoria de controle que podem ser aplicadas, e aqui é avaliada a aplicação da metodologia proposta por Udwadia e Kalaba para o controle de trajetória de sistemas não lineares, uma técnica de controle ainda não utilizada no controle ativo de vibrações em sistemas rotativos. Em um primeiro momento a avaliação do desempenho e potencial de aplicação desta metodologia é realizada em sistemas com quatro graus de liberdade através de comparação com controladores do tipo proporcional-integral-derivativo e regulador linear-quadrático. Os resultados obtidos pelo controlador avaliado são similares aos resultados obtidos pelo controlador proporcional-integral-derivativo com melhorias em termos de erro de posicionamento. A metodologia também é avaliada em um sistema rotativo com um maior número de graus de liberdade, no qual é possível compreender o comportamento do controlador em um sistema flexível. Por fim realiza-se um exemplo de aplicação da técnica em um sistema com um eixo rígido e mancal hidrodinâmico ativo de atuação eletromagnética. Os resultados de simulação obtidos mostram que a metodologia possui potencial de aplicação para sistemas que apresentam eixo rígido, no qual uma drástica redução na amplitude de vibração do sistema foi observada por toda faixa de operação avaliada, enquanto que a sua aplicação em sistemas com eixo flexível se tornou restrita aos dois primeiros modos de vibrar do sistema flexível utilizado, modelado através do método dos elementos finitos. / Rotating machinery are always subject to mechanical vibration to a lesser or greater degree, and to ensure proper operation of these machines, avoiding faulty operation, it is necessary to carry out the control of these vibrations. One of the fronts that stood out in this area is the active vibration control. In this type of approach, vibrations are actively managed through an actuation system and a control technique to be used satisfactorily. In this context, there are numerous approaches to control theory that can be applied, and here the application of the methodology proposed by Udwadia and Kalaba for trajectory control of nonlinear systems is evaluated, a control technique not yet used in active vibration control in rotating systems. At first the evaluation of the performance and potential application of this methodology is performed on systems with four degrees of freedom by comparison with controllers of the proportional-integral-derivative and linear-quadratic regulator type. The results of the evaluated controller are similar to results obtained by proportional-integral-derivative controller with improvements in positioning error. The methodology is also evaluated in a rotating system with a larger number of degrees of freedom, wherein we can understand the controllers behavior in a flexible system. Finally, an application example of the technique on a system with a rigid shaft and hydrodynamic bearing with electromagnetic actuators is presented. The obtained simulation results show that the method has application potential to systems having rigid shaft, in which a dramatic reduction in the amplitude of vibration of the system was observed at all the operating range evaluated, whereas their application in systems with flexible shaft became restricted to the first two vibration modes of the flexible system used, modeled by the finite element method.

A análise de caminhos de transferência de energia (TPA na sigla em inglês para Transfer Path Analysis) corresponde a um grupo de métodos numérico/experimental para análise e solução de problemas vibro-acústicos de sistemas lineares invariantes no tempo, sendo seu principal campo de aplicação a indústria automotiva. A TPA é uma técnica que identifica as principais fontes de vibração e ruído, e os caminhos estruturais e acústicos pelos quais são transmitidas para determinados locais de interesse. Conhecendo as fontes de ruído e vibração e os caminhos de propagação é possível propor modificações eficientes em minimizar o ruído/vibração nas regiões de interesse, ou atribuir características desejáveis para tais componentes, envolvendo técnicas de controle passivo e ativo. Este trabalho apresenta um estudo numérico e experimental das técnicas de TPA, utilizando métodos diretos e inversos de determinação de forças operacionais. Estes estudos foram realizados em um mockup de um veículo, com o objetivo de determinar o caminho de maior contribuição para o ruído no interior do protótipo, e a partir deste resultado, propor um sistema de controle ativo para minimizar este ruído interno. / The Transfer Path Analysis (TPA) is a group of numerical/experimental tools for the analysis and troubleshooting of noise and vibration problems in linear time invariant vibroacoustic systems, being the automotive sector its major user. TPA consists of a numerical/experimental analysis that allows the identification of the main noise and vibration sources and the structural/acoustic transfer paths to the Target points. Based on the sources and paths, it is possible to propose modifications that efficiently minimize noise and vibration at the target positions. By means of active control it is possible to modify noise and vibration in order to change, rather than minimize noise and vibration, achieving certain design targets. This work presents a numerical and experimental study of TPA techniques, using direct and inverse operational loads determination methods. These studies were performed on a vehicle mockup, in order to determine the path of greatest contribution to the noise inside the prototype, and from this result, propose an active control system to minimize this internal noise.

FSMS, abreviação de "Flexible Structure mounted Manipulator System", é um micro-manipulador (Mi-M) rígido montado serialmente na ponta de um macro-manipulator (Ma-M) flexível, de grande espaço de trabalho. Esta configuração é freqüentemente empregada para aumentar a capacidade de alcance do Mi-M, todavia, a flexibilidade do Ma-M interfere na precisão de posicionamento. O FSMS sub-atuado foi modelado através do método de modos assumidos e do Princípio Estendido de Hamilton. Apresentou-se uma lei de controle não-linear, baseada no modelo, capaz de amortecer ativamente o elo flexível. Foi descrita a montagem experimental de um Mi-M suportado por uma viga flexível engastada na parede, base estacionária, montado no Laboratório de Mecatrônica da Universidade de Taubaté (UNITAU). Apesar do modelo descrito ser estacionário, o seu estudo é bastante relevante do ponto de vista de operação de um FSMS genérico. Foram realizadas simulações no ambiente SIMULINK / MATLABÒ do modelo, sem e com o controle ativo. Comparou-as com a implementação em tempo real. Desta comparação, depreendeu-se facilmente que o modelo do FSMS corresponde ao sistema real e que o Mi-M é acionado, com movimento controlado, após absorver uma determinada perturbação, cancelando-a ativamente. O amortecimento é devido a forças e torques de interação inercial agindo entre o Mi-M e a viga flexível. As principais contribuições deste trabalho foram a implementação de uma metodologia para a geração automática, simbólica ou numérica, do modelo de robôs híbridos tipo FSMS e a obtenção das coordenadas modais, não-mensuráveis, por meio da manipulação algébrica das FT's dos sensores acelerômetro e estensômetro.

O objetivo deste trabalho é descrever o projeto, e implementação experimental, e o estuda da dinâmica para controle ativo de um Sistema robótico montado sobre uma estrutura flexível (FSMS). O sistema consiste de um manipulador cilíndrico de três graus de liberdade, e de uma viga flexível acoplada a sua extremidade. Um manipulador rígido de um grau de liberdade é acoplado à extremidade livre do elo flexível do macro manipulador. A modelagem dinâmica e a análise modal experimental no domínio da freqüência, são aplicadas para projetar o controle digital para o micro manipulador, com o objetivo de minimizar as vibrações mecânicas da estrutura flexível do macro manipulador, induzidas durante o movimento do micro manipulador.

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo utilizando mancais magnéticos como atuadores de não-contato para a redução de vibrações em rotores. São analisados três modelos de rotores, sendo que em um deles aplica-se apenas o controle feedback e os outros são suportados apenas por mancais magnéticos, os quais também são os atuadores do controlador. Assim, Luna arquitetura de controle tipo feedforward é empregada sobreposta ao sistema de controle feedback dos atuadores nestes dois modelos, sendo urna análise realizada em relação ao desempenho do sistema de controle quanto às diferentes geometrias de distribuição de massa acopladas ao eixo do rotor. O enfoque principal deste trabalho é voltado para a análise do desempenho do sistema de controle em função da posição e quantidade dos sensores de erro (onde se deseja minimizar as vibrações) em relação à posição dos atuadores e das forças de excitação. As excitações são do tipo síncronas e sub-síncronas que normalmente aparecem em rotores com elevadas velocidades de rotação, como as turbomáquinas. Também é realizada urna análise das forças de controle necessárias a serem aplicadas pelos atuadores para se obter urna redução dos níveis de vibração do rotor na posição dos sensores de erro do sistema feedforward. A análise é executada empregando modelos de rotores desenvolvidos pelo método da matriz de impedância. Esta pesquisa também apresenta Luna aplicação da técnica de controle Feedforward em acústica, que realiza a depuração da voz para comunicação em ambientes ruidosos. / Abstract: This research work brings a theoretical analysis of a control system performance that uses magnetic bearings as non-contact actuators to reduce rotor vibrations. It is analyzed three rotor models, in which one of them operates under the feedback control only. The other models are supported by magnetic bearings only, which also are the controller system actuators. Thus, a feedforward control scheme is applied over the feedback control inherent to the AMB control circuit. The analysis is carried out over these two last models regarding to the control performance for different geometry of mass distribution along the rotor. The focus of this work is to analyze the controller performance according to the sensor quantity and placement (where the vibrations are desired to be minimized) regarding to the actuator position and to the exciting forces. The subsynchronous and synchronous excitations are considered here since they frequently occur in high rotating speed rotors, as in the turbomachinery scenario. Also, the control force required by the actuators is monitored according to the sensors placement to reduce the local vibrations level and the analysis was carried out using the impedance matrix rotor modeling. Further, this work brings a modeling and an application of the feedforward active control scheme in the acoustics field used for voice extraction for communication in noisy environments. / Orientador: Luiz de Paula do Nascimento / Coorientador: Vicente Lopes Junior / Banca: Gilberto Pechoto de Melo / Banca: Kátia Luchese Cavalca Dedini / Mestre