Apresenta-se um estudo analítico e experimental do fenômeno de interação entre excitadores eletrodinâmicos e a estrutura em ensaios de vibração e discutem-se causas e efeitos desta interação na qualidade dos resultados obtidos. Inicialmente, realizam-se simulações numéricas que contemplam as características mecânicas e eletromagnéticas do excitador. Definido o modelo para o excitador, realizam-se simulações de teste com estruturas, dos quais obtêm-se as forças de entrada e funções de resposta em freqüência (FRFs) estimadas que serão comparadas às FRF reais da estrutura. Posteriormente, considera-se a inclusão de graus de liberdade rotacionais aos modelos do excitador e da estrutura. Finalmente, as simulações de testes com múltipla excitação têm como objetivo principal o de observar os fenômenos de queda de força de excitação e seus efeitos sobre as FRFs estimadas. Com os resultados experimentais verificam-se os principais fenômenos da interação excitador / estrutura observados nas simulações numéricas tais como a queda da força de excitação e a influência da dinâmica do conjunto excitador / amplificador na resposta da estrutura. Através dos resultados experimentais obtidos com uma viga metálica observam-se os principais efeitos previstos pelas simulações. Ainda, comparam-se as alterações nos dados obtidos com outros métodos de excitação tais como, martelo impulsivo e excitação em malha fechada. Testes realizados com diferentes estruturas, como um pneumático e um chassi tubular, vêem complementar os dados obtidos até então para excitação com um único excitador. Os testes realizados com a finalidade de validar os modelos que incluem graus de liberdade rotacionais mostram que tais grandezas não podem ser negligenciadas, principalmente no que se referem aos testes com excitação via base, em que o item de teste é montado diretamente sobre o excitador. Ainda, verificam-se os resultados obtidos com diversos estimadores de FRFs em ensaios com acréscimo de ruído aos sinais de entrada e saída. Os resultados experimentais realizados com dois excitadores mostram os mesmos efeitos observados nas simulações, em geral uma redução na queda da força de excitação e uma melhor distribuição de energia pela estrutura. / An analytical and experimental study of the interaction between electrodynamic exciters and the structure under test is presented, and the causes and effects of this interaction on the obtained data quality are discussed. Initially, some numerical simulations are performed concerning the shaker\'s mechanical and electrical features. Once the shaker model is defined, some tests with structures were simulated in order to obtain the input forces and the estimated frequency response functions to be compared with the measured FRFs. Afterwards, the rotational degrees of freedom were included in the shaker and structure models. Ending this section, tests with multiple input forces were simulated. The experimental results confirm most of the phenomena observed in the simulation section, such as the input force drop-off and the influence of the shaker / power amplifier assembly on the structure\'s response. The tests conducted with a steal beam confirmed the effects predicted by the simulations. Therefore, these results are compared with others, obtained from alternative methods such as impact test and closed loop shaker tests. Tests with structures like a truck tyre and a tubular chassis complement the assessment of single input tests. The tests performed with the objective of validating the models considering rotational degrees of freedom show that these quantities cannot be neglected, mainly when base driven tests are concerned. Also, the efficiency of FRF estimators applied to shaker tests, in the presence of noise on the input and output channels is verified experimentally. The multiple input tests corroborate the effects observed in the simulations, in general, a reduction of the droopoff on the force and an improvement on the input energy distribution on the structure.

Por décadas, a qualidade de produtos é determinada por testes em ambientes de laboratório, como testes de acelerados de vibração, ciclagem térmica, choque mecânicos ou térmicos, entre outros. Porém, mais recentemente um novo tipo de técnica tem adquirido a confiança de pesquisadores e projetistas. As técnicas conhecidas como HALT (Highly Accelerated Life Testing) e HASS (Highly Accelerated Stress Screening), ou seja, testes acelerados e amplificados que submetem produtos a condições severas, têm mostrado sua importância e eficiência no âmbito da detecção de falha em produtos ainda na fase de produção. Este trabalho tem por objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de controle baseado em métodos heurísticos para ser usado em ensaios acelerados usando um Shaker eletrodinâmico. Este controlador deve ser robusto o suficiente para se adequar a possíveis efeitos de ressonância do shaker que podem vir a alterar a dinâmica do sistema, inviabilizando controles tradicionais com parâmetros fixos. Os resultados obtidos através de vários ensaios mostraram que ambos os sistemas de controle são eficientes, pois o erro entre o sinal desejado (tensão mecânica ou aceleração) e os medidos experimentalmente, tendem rapidamente a zero não apresentando sobressinais consideráveis ou erro em regime permanente, tanto para frequência fixa quanto para varredura de frequência. A comparação entre o controlador tradicional PID e o controle heurístico baseado em Lógica Fuzzy, que foram aplicados no shaker eletrodinâmico, comprova que, para mudanças na amplitude do sistema, o controle Fuzzy apresentou menor sobressinal, o que é mais favorável do ponto de vista mecânico. Logo, a metodologia proposta pode ser aplicada para ensaios HALT/HASS com o intuito de obter grandes vibrações e, por conseguinte tensões, para identificar possíveis falhas de projeto e então, poder corrigi-las. / For decades, product quality is determined by environmental tests, such as accelerated vibration tests, thermal cycling, mechanical or thermal shock, and others. However, more recently a new type of test has gained the trust of researchers and designers. Known techniques such as HALT (Highly Accelerated Life Testing) and HASS (Highly Accelerated Stress Screening), or accelerated and amplified testing that submit products to severe conditions have shown their importance in the efficiency and fault detection in products still in production phase. This study aims to develop and implement a control algorithm based on heuristic methods in order to be used in a system of accelerated tests in an electrodynamic shaker. This controller must be robust enough to fit the resonance effects of the shaker that it can change the system dynamic, invalidating traditional controls with fixed parameters. The results obtained through tests showed both control systems are efficient, because the error between desired signal (mechanical stress and acceleration) and the experimentally measured tend rapidly to zero, there aren’t overshoots or steady state errors, both for constant frequency and for sweep frequency. Comparing the PID traditional control and the Logic Fuzzy control, applied in electrodynamic shaker, we proved that to change system amplitude, the fuzzy control presented lower overshoot, that is favorable from the standpoint of mechanical. Therefore, the methodology proposed can be applied to HALT/HASS tests in order to obtain large vibrations and, consequently stress, to identify possible flaws in the design and correct them.

Por décadas, a qualidade de produtos é determinada por testes em ambientes de laboratório, como testes de acelerados de vibração, ciclagem térmica, choque mecânicos ou térmicos, entre outros. Porém, mais recentemente um novo tipo de técnica tem adquirido a confiança de pesquisadores e projetistas. As técnicas conhecidas como HALT (Highly Accelerated Life Testing) e HASS (Highly Accelerated Stress Screening), ou seja, testes acelerados e amplificados que submetem produtos a condições severas, têm mostrado sua importância e eficiência no âmbito da detecção de falha em produtos ainda na fase de produção. Este trabalho tem por objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de controle baseado em métodos heurísticos para ser usado em ensaios acelerados usando um Shaker eletrodinâmico. Este controlador deve ser robusto o suficiente para se adequar a possíveis efeitos de ressonância do shaker que podem vir a alterar a dinâmica do sistema, inviabilizando controles tradicionais com parâmetros fixos. Os resultados obtidos através de vários ensaios mostraram que ambos os sistemas de controle são eficientes, pois o erro entre o sinal desejado (tensão mecânica ou aceleração) e os medidos experimentalmente, tendem rapidamente a zero não apresentando sobressinais consideráveis ou erro em regime permanente, tanto para frequência fixa quanto para varredura de frequência. A comparação entre o controlador tradicional PID e o controle heurístico baseado em Lógica Fuzzy, que foram aplicados no shaker eletrodinâmico, comprova que, para mudanças na amplitude do sistema, o controle Fuzzy apresentou menor sobressinal, o que é mais favorável do ponto de vista mecânico. Logo, a metodologia proposta pode ser aplicada para ensaios HALT/HASS com o intuito de obter grandes vibrações e, por conseguinte tensões, para identificar possíveis falhas de projeto e então, poder corrigi-las. / For decades, product quality is determined by environmental tests, such as accelerated vibration tests, thermal cycling, mechanical or thermal shock, and others. However, more recently a new type of test has gained the trust of researchers and designers. Known techniques such as HALT (Highly Accelerated Life Testing) and HASS (Highly Accelerated Stress Screening), or accelerated and amplified testing that submit products to severe conditions have shown their importance in the efficiency and fault detection in products still in production phase. This study aims to develop and implement a control algorithm based on heuristic methods in order to be used in a system of accelerated tests in an electrodynamic shaker. This controller must be robust enough to fit the resonance effects of the shaker that it can change the system dynamic, invalidating traditional controls with fixed parameters. The results obtained through tests showed both control systems are efficient, because the error between desired signal (mechanical stress and acceleration) and the experimentally measured tend rapidly to zero, there aren’t overshoots or steady state errors, both for constant frequency and for sweep frequency. Comparing the PID traditional control and the Logic Fuzzy control, applied in electrodynamic shaker, we proved that to change system amplitude, the fuzzy control presented lower overshoot, that is favorable from the standpoint of mechanical. Therefore, the methodology proposed can be applied to HALT/HASS tests in order to obtain large vibrations and, consequently stress, to identify possible flaws in the design and correct them.

Apresenta-se um estudo analítico e experimental do fenômeno de interação entre excitadores eletrodinâmicos e a estrutura em ensaios de vibração e discutem-se causas e efeitos desta interação na qualidade dos resultados obtidos. Inicialmente, realizam-se simulações numéricas que contemplam as características mecânicas e eletromagnéticas do excitador. Definido o modelo para o excitador, realizam-se simulações de teste com estruturas, dos quais obtêm-se as forças de entrada e funções de resposta em freqüência (FRFs) estimadas que serão comparadas às FRF reais da estrutura. Posteriormente, considera-se a inclusão de graus de liberdade rotacionais aos modelos do excitador e da estrutura. Finalmente, as simulações de testes com múltipla excitação têm como objetivo principal o de observar os fenômenos de queda de força de excitação e seus efeitos sobre as FRFs estimadas. Com os resultados experimentais verificam-se os principais fenômenos da interação excitador / estrutura observados nas simulações numéricas tais como a queda da força de excitação e a influência da dinâmica do conjunto excitador / amplificador na resposta da estrutura. Através dos resultados experimentais obtidos com uma viga metálica observam-se os principais efeitos previstos pelas simulações. Ainda, comparam-se as alterações nos dados obtidos com outros métodos de excitação tais como, martelo impulsivo e excitação em malha fechada. Testes realizados com diferentes estruturas, como um pneumático e um chassi tubular, vêem complementar os dados obtidos até então para excitação com um único excitador. Os testes realizados com a finalidade de validar os modelos que incluem graus de liberdade rotacionais mostram que tais grandezas não podem ser negligenciadas, principalmente no que se referem aos testes com excitação via base, em que o item de teste é montado diretamente sobre o excitador. Ainda, verificam-se os resultados obtidos com diversos estimadores de FRFs em ensaios com acréscimo de ruído aos sinais de entrada e saída. Os resultados experimentais realizados com dois excitadores mostram os mesmos efeitos observados nas simulações, em geral uma redução na queda da força de excitação e uma melhor distribuição de energia pela estrutura. / An analytical and experimental study of the interaction between electrodynamic exciters and the structure under test is presented, and the causes and effects of this interaction on the obtained data quality are discussed. Initially, some numerical simulations are performed concerning the shaker\'s mechanical and electrical features. Once the shaker model is defined, some tests with structures were simulated in order to obtain the input forces and the estimated frequency response functions to be compared with the measured FRFs. Afterwards, the rotational degrees of freedom were included in the shaker and structure models. Ending this section, tests with multiple input forces were simulated. The experimental results confirm most of the phenomena observed in the simulation section, such as the input force drop-off and the influence of the shaker / power amplifier assembly on the structure\'s response. The tests conducted with a steal beam confirmed the effects predicted by the simulations. Therefore, these results are compared with others, obtained from alternative methods such as impact test and closed loop shaker tests. Tests with structures like a truck tyre and a tubular chassis complement the assessment of single input tests. The tests performed with the objective of validating the models considering rotational degrees of freedom show that these quantities cannot be neglected, mainly when base driven tests are concerned. Also, the efficiency of FRF estimators applied to shaker tests, in the presence of noise on the input and output channels is verified experimentally. The multiple input tests corroborate the effects observed in the simulations, in general, a reduction of the droopoff on the force and an improvement on the input energy distribution on the structure.

Por décadas, a qualidade de produtos é determinada por testes em ambientes de laboratório, como testes de acelerados de vibração, ciclagem térmica, choque mecânicos ou térmicos, entre outros. Porém, mais recentemente um novo tipo de técnica tem adquirido a confiança de pesquisadores e projetistas. As técnicas conhecidas como HALT (Highly Accelerated Life Testing) e HASS (Highly Accelerated Stress Screening), ou seja, testes acelerados e amplificados que submetem produtos a condições severas, têm mostrado sua importância e eficiência no âmbito da detecção de falha em produtos ainda na fase de produção. Este trabalho tem por objetivo desenvolver e implementar um algoritmo de controle baseado em métodos heurísticos para ser usado em ensaios acelerados usando um Shaker eletrodinâmico. Este controlador deve ser robusto o suficiente para se adequar a possíveis efeitos de ressonância do shaker que podem vir a alterar a dinâmica do sistema, inviabilizando controles tradicionais com parâmetros fixos. Os resultados obtidos através de vários ensaios mostraram que ambos os sistemas de controle são eficientes, pois o erro entre o sinal desejado (tensão mecânica ou aceleração) e os medidos experimentalmente, tendem rapidamente a zero não apresentando sobressinais consideráveis ou erro em regime permanente, tanto para frequência fixa quanto para varredura de frequência. A comparação entre o controlador tradicional PID e o controle heurístico baseado em Lógica Fuzzy, que foram aplicados no shaker eletrodinâmico, comprova que, para mudanças na amplitude do sistema, o controle Fuzzy apresentou menor sobressinal, o que é mais favorável do ponto de vista mecânico. Logo, a metodologia proposta pode ser aplicada para ensaios HALT/HASS com o intuito de obter grandes vibrações e, por conseguinte tensões, para identificar possíveis falhas de projeto e então, poder corrigi-las. / For decades, product quality is determined by environmental tests, such as accelerated vibration tests, thermal cycling, mechanical or thermal shock, and others. However, more recently a new type of test has gained the trust of researchers and designers. Known techniques such as HALT (Highly Accelerated Life Testing) and HASS (Highly Accelerated Stress Screening), or accelerated and amplified testing that submit products to severe conditions have shown their importance in the efficiency and fault detection in products still in production phase. This study aims to develop and implement a control algorithm based on heuristic methods in order to be used in a system of accelerated tests in an electrodynamic shaker. This controller must be robust enough to fit the resonance effects of the shaker that it can change the system dynamic, invalidating traditional controls with fixed parameters. The results obtained through tests showed both control systems are efficient, because the error between desired signal (mechanical stress and acceleration) and the experimentally measured tend rapidly to zero, there aren’t overshoots or steady state errors, both for constant frequency and for sweep frequency. Comparing the PID traditional control and the Logic Fuzzy control, applied in electrodynamic shaker, we proved that to change system amplitude, the fuzzy control presented lower overshoot, that is favorable from the standpoint of mechanical. Therefore, the methodology proposed can be applied to HALT/HASS tests in order to obtain large vibrations and, consequently stress, to identify possible flaws in the design and correct them.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents contributions to the sinusoidal acceleration control of electrodynamic shakers applied in vibration testing. Considering the importance of sine tests to identify critical frequencies of operation and to determine mechanical weakness in the specified performance of specimens, vibration controllers are designed to reproduce the amplitude and the frequency of the reference acceleration specifically at the interface between the shaker and the structure under test. Two distinct approaches are considered to solve the control problem: time domain control, where the acceleration instantaneous value is adjusted to track the sinusoidal reference, and frequency domain control, in which only the amplitude or the root mean square value of the acceleration is compensated to follow the reference magnitude. The solutions developed based on these two different approaches are implemented in a digital control platform and experimentally evaluated. The development of vibration controllers is complemented by contributions to the study of the shaker dynamic model, as well as to the instrumentation applied to measure and feedback the acceleration and to the voltage control of switching-mode power amplifiers designed to drive the shaker. Regarding the vibration machine dynamic model, a method is proposed to experimentally identify the mechanical parameters of a two degrees of freedom system that represents the suspension resonance and the finite armature stiffness of the electrodynamic shaker. A procedure is developed to design and implement charge mode preamplifiers and signal conditioning circuits for piezoelectric accelerometers. A robust model reference adaptive algorithm is applied to control the output voltage of an industrial switching-mode power amplifier. The experimental analysis of the adaptive controller considers not only the improvements on the power amplifier performance, but also the of impact over the behavior of a commercial digital vibration control system. / Este trabalho apresenta contribuições ao controle de aceleração senoidal de vibradores eletrodinâmicos utilizados em ensaios de vibração. Considerando a importância de testes com aceleração senoidal para identificar freqüências críticas de operação e determinar a resistência de materiais e estruturas, são desenvolvidos controladores para a máquina de vibração com o propósito de garantir que a amplitude e a freqüência da aceleração imposta à estrutura sob teste correspondam aos valores de referência. Na solução do problema, admitem-se duas abordagens distintas: controle no domínio do tempo, onde o valor instantâneo da aceleração é ajustado para seguir a referência senoidal, e controle no domínio da freqüência, no qual apenas a amplitude ou o valor eficaz da aceleração é regulado conforme a magnitude de referência. As técnicas propostas com base nestas abordagens são implementadas numa plataforma de controle digital e avaliadas experimentalmente. O desenvolvimento dos controladores de vibrações é complementado por contribuições ao estudo do modelo dinâmico do vibrador, à instrumentação aplicada para realimentar a aceleração e ao controle da tensão de amplificadores de potência que utilizam inversores com modulação por largura de pulso para acionar a máquina. Com relação ao modelo do vibrador, é descrito um método que permite determinar experimentalmente os parâmetros mecânicos de um modelo com dois graus de liberdade, o qual representa o comportamento da máquina devido à suspensão e à rigidez finita da armadura. Um procedimento de projeto e realização prática de pré-amplificadores de carga e de um circuito de condicionamento para acelerômetros piezoelétricos é apresentado. Um algoritmo adaptativo robusto por modelo de referência é avaliado no controle da tensão de saída de um amplificador industrial projetado para excitar o enrolamento da armadura do vibrador. A análise experimental do impacto do controlador adaptativo é realizada considerando não apenas a melhoria no desempenho do amplificador, mas também em termos dos reflexos na performance de uma plataforma comercial de controle de ensaios de vibrações.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the development of a novel digital acceleration controller for sinusoidal vibration tests using switching-mode AC power source (ACPS) fed electrodynamic vibration machines. The proposed scheme is based on the interaction of two control loops: one for the shaker's acceleration regulation and another for the ACPS output voltage control. A robust model reference adaptive algorithm (RMRAC) is used in the voltage control loop. To reduce the effects caused by the plant's parameters variations as well harmonic vibrations and resonances of the test specimen, the acceleration feedback controller is augmented with a feedforward and a robust controller. Experimental results show that the proposed system is capable to achieve excellent acceleration reference tracking performance and robustness in the closed loop control from 20 Hz to 200 Hz. Investigations shall be performed to evaluate the response of this scheme when controlling vibrations as fast as 2000 Hz. A specific instrumentation system has been developed to feedback the electrodynamic vibration machine's acceleration. The proposed solution employs piezoelectric accelerometers, voltage mode preamplifiers, circuit for signal conditioning, analog to digital conversion and filtering. A study concerning the commonly used vibration measurement techniques and the design procedure, simulation, implementation and experimental results are described in detail. / Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um novo tipo de controlador digital de aceleração para ensaios com vibrações senoidais em máquinas de vibra ção eletrodinâmicas supridas por fontes de potência CA com comutação. O esquema proposto é baseado na interação entre duas malhas de controle: uma para regulação de aceleração da máquina de vibração e outra para ajuste da tensão de saída da fonte de potência CA. Um algoritmo adaptativo robusto por modelo de referência (RMRAC) é utilizado na malha de controle de tensão. Os efeitos de variações paramétricas existentes na planta bem como de vibrações harmônicas e ressonâncias do objeto ensaiado são minimizados com o uso de um controlador feedforward e um controlador feedforward robusto na malha de aceleração. Resultados experimentais demonstram que o sistema proposto é capaz de garantir excelente rastreamento da aceleração de referência e robustez em malha fechada entre 20 Hz e 200 Hz, necessitando ainda de investigação para controle de vibrações tão rápidas quanto 2000 Hz. A realimentação da aceleração da máquina é realizada com o desenvolvimento de uma instrumentação adequada a esse fim. A solução proposta utiliza acelerômetros piezoelétricos, pré-amplificadores modo tensão, circuito para condicionamento de sinais, conversão analógico-digital e filtragem. Um estudo sobre as principais técnicas utilizadas em medições de vibrações bem como a metodologia de projeto, simulação, implementação e testes experimentais são descritos detalhadamente.