Orientador: Robson Pederiva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-28T09:02:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sanches_FabioDalmazzo_D.pdf: 3111854 bytes, checksum: 7a85cd92fff24bc0ca9170821fb61025 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Este trabalho aborda a identificação simultânea do desbalanceamento e empeno de eixo em rotores a partir do modelo matemático tanto do rotor como das falhas estudadas. Esses dois fenômenos são síncronos à rotação do rotor e, por isso, difíceis de serem separados um do outro. A partir do modelo do rotor representado na forma de espaço de estados, é possível aplicar a definição de matrizes de correlações de modo a gerar um algoritmo que correlaciona os parâmetros de falhas com as respostas do sistema, possibilitando que as falhas sejam identificadas tanto em magnitude como em localização. O estimador é baseado na equação matricial de Lyapunov. Como o número de respostas medidas é inferior ao total de graus de liberdade do rotor, um sistema auxiliar (filtro) é necessário para gerar correlações adicionais que possibilitem a identificação das falhas em estudo. Transformações de coordenadas através da matriz de observabilidade são necessárias para descrever o sistema através das poucas respostas medidas do rotor. Como um modelo matemático confiável é essencial para o sucesso da identificação, grandezas desconhecidas tais como: parâmetros de mancal, rigidez angular do acoplamento e amortecimento do sistema foram identificados através de otimização pelo método Evolução Diferencial, comparando-se as FRF's medidas e simuladas. Técnicas de redução de ordem do modelo ajustado do rotor foram empregadas de modo a reduzir o esforço computacional na determinação da matriz de observabilidade, possibilitando o uso de um filtro de ordem reduzida. Os estudos ocorrem de forma numérica e experimental para dois tipos de rotores: Laval e dois discos. Simulações mostram como o empeno de eixo altera a dinâmica dos rotores quando comparadas com as respostas ao desbalanceamento puro. Na presença do empeno, várias configurações de desbalanceamento foram simuladas e posteriormente introduzidas nas bancadas experimentais. O algoritmo de identificação se mostrou robusto na caracterização dessas duas falhas e o método contribui com o estado da arte na área de detecção de falhas / Abstract: This work is about simultaneous unbalance and shaft bow identification in rotor using the mathematical model of both the rotor and the studied failures. These two phenomena are synchronous with the rotation of the rotor, causing difficulties in separating them from each other. From the rotor model represented in state space form, it is possible to use the definition of correlation matrix in order to generate an algorithm that correlates the fault parameters with the system responses, enabling the faults to be identified in amplitude and phase. The estimator comes form the Lyapunov matrix equation. As the number of measured available responses are lower than total number of rotor degrees of freedom, an auxiliary system (filter) is required to generate additional correlations that enable the studied faults identification. Coordinate transformations though the observability matrix are necessary to describe the system by means of some few measured outputs. As a reliable mathematical model is essential for the success of the identification process, unknown parameters such as: bearing coefficients, coupling angular stiffness and damping systems were identified using the Differential Evolution optimization technique in which the experimental and simulated FRF's were compared and adjusted. Model order reduction techniques were used on the updated rotor model to reduce computational costs in determining the observability matrix, which allows the usage of a lower filter order. The studies were performed numerically and experimentally for two different test rigs: Laval rotor and two disc rotor. Simulations show the shaft bow changes the dynamic behavior of the rotor when compared to the pure unbalanced rotor responses. In the presence of bow, various unbalance configurations were simulated and thereafter introduced in the test rigs. The identification algorithm showed robustness in identifying these two faults and this method contributes with the state of the art in the field of faults identification / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Apresenta uma nova técnica de identificação estocástica para estruturas sujeitas a excitação ambiente utilizando um método não recursivo, a análise estatística e a transformada wavelet. A análise estatística contribui para a seleção da melhor ordem para o sistema e automação dos procedimentos computacionais. Em geral há dificuldade para a identificação de baixas freqüências. A transformada wavelet é uma ferramenta fundamental para a compressão de dados e torna possível a identificação completa incluindo baixas freqüências e modos acoplados, além de melhorar significativamente a eficiência computacional do método. É apresentado o estudo de três sistemas simulados e os resultados obtidos são comparados aos parâmetros modais teóricos. / A new form to carry out stochastic identification of structures in operational conditions using a non recursive method, the statistic analysis and the wavelet transform, is presented. The statistic analysis contributed to select the best system order and to automation of computational procedures. In general the identification of low frequencies is a difficult task. The wavelet transform is an essential tool for compression of data making possible the complete identification including low frequencies. In addition it improves the computational efficiency. The study of three simulated system is presented and the results are compared with the analytical modal parameters.

O estudo das não linearidades das séries temporais da microviga de um microscópio de força atômica tem sido essencial para o desenvolvimento e aperfeiçoamento deste equipamento de ampliação de imagens. Não linearidades podem aparecer com frequência nos experimentos, afetando significativamente a resposta prevista de forma que estas instabilidades se concretizam em imagens ruins. Esta tese apresenta resultados obtidos através de uma abordagem experimental e teórica. Buscou-se aperfeiçoar modelos clássicos de osciladores do microscópio de força atômica melhorando seu comportamento caótico através da observação dos resultados dos experimentos. A identificação de sistemas é feita pelo método de espaço de estados. Outra abordagem de séries temporais obtidas através de um microscópio de força atômica torna possível a reconstrução de espaço de estados, utilizando-se de técnicas como informação mútua, falsos vizinhos e defasagem de tempo. Analisa-se também o comportamento caótico das séries temporais usando o teste 0-1 e escala indexada em quatro experimentos que resultam em um mapa que relaciona a altura que a microviga vibra com o coeficiente do teste 0-1 e com a escala indexada. / The study of time series nonlinearities of the cantilever\'s atomic force microscope has been essential to the development and improvement of this image magnification equipment. Nonlinearities may appear frequently in the experiments, significantly affecting expected response in a way that these instabilities generate bad images. This thesis presents results obtained through an experimental and theoretical approach accordingly. We attempted to improve the classical models of oscillators atomic force microscope improving its chaotic behavior by observing the results of the experiments. The system identification is made by method space state. Another approach to time series obtained through an atomic force microscope makes it possible to reconstruct space phase, using techniques such as mutual information and false neighbors delay. It is analyzed chaotic behavior time series by using the 0-1 test and scale index in four experiments resulting in a map that relates the height of cantilever deflections with the 0-1 test coefficient and the indexed scale.

Uma das técnicas de controle avançado que vem ganhando destaque no cenário econômico e ecológico, focando maior sustentabilidade e a otimização dos processos, é o controle preditivo, o qual já vem sendo aplicado em indústrias químicas e petroquímicas. Esta dissertação trata do desenvolvimento de um controle preditivo aplicado a uma planta piloto de neutralização de pH, presente no Laboratório de Controle de Processos Industriais da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. O desenvolvimento do projeto pode ser dividido em quatro etapas: implementação das malhas de controle regulatório, identificação dos sistemas, construção do controlador preditivo, aplicações e análises experimentais. Na primeira etapa foi necessário estudar o sistema em questão e implementar algumas malhas internas usando controladores PID. Na segunda etapa foi realizada a identificação do modelo da planta, ressaltando que pontos de operação e ajuste de parâmetros internos são determinantes para a modelagem. Já na terceira etapa desenvolveu-se um controlador preditivo, através de softwares auxiliares como o MATLAB e o IIT 800xA da ABB, que foram utilizados para o desenvolvimento e implementação do algoritmo de controle. Por fim, na última etapa, foi feita a análise e comparação dos resultados, quando se submete à planta a um controlador PID, quando aplicado um controlador preditivo em cascata com controladores PID e quando se utiliza apenas o controlador preditivo com ação direta nos atuadores. / The predictive control is an advanced control technique which has gained evidence in the economic and ecological context because the search for sustainability and process optimization. This control has already been applied by the chemical and petrochemical industries. The purpose of this project is to develop a predictive controller which will be applied in a pH neutralization plant located in the Industrial Processes Control Laboratory at Polytechnic School of the University of São Paulo. The development of this project can be divided into four stages: implementation of regulatory control loops, identification of the system, construction of the predictive controller, applications and experimental analysis. The first step is necessary in order to study the plant and to implement some internal loops using PID controllers. In the second step, the identification process of the plant model will be done. It is important to note that operating points and internal parameter settings are very important for modeling. In the third stage, using the model obtained from the identification process, a predictive controller is built from auxiliary software such as MATLAB and IIT 800xA (by ABB), which will be used for the development and implementation of the control algorithm. Finally, the last step consists in collecting and analyzing the results of the pH neutralization plant. At this stage the responses of each controller will be compared: PID controller, MPC controller in cascade mode with PID and MPC controller acting directly on actuators.

The main purpose of this work is to model dynamically the latero-torsional response of the structure of a landing gear using identification techniques. The emphasis is placed on identifying this motion on aircraft twin-wheeled telescopic main landing gears. Between the many possible model structures, a linear polynomial ARX and ARMAX model structures and a state space model structure were adopted, all of them discrete models. Structures of the Output-Error (OE) e Box-Jenkins (BJ) type were also analysed but were discarted. The coefficients of the ARX model are obtained through least square techniques and the ones for the ARMAX by using the extended least square estimator. The ones for the state space model are obtained through subspace projection techniques for obtaining the states e also by least square for obtaining the dynamic matrices. The system dynamical equations are developed for a better understanding of the physical problem. The landing gear lateral and torsional structural deflections, wheels rotations and tire angular slip are considered as degrees of freedom of the model. The problem physics and correlation analysis was used for obtaining the polynomial model and state space model order and input delay respectively. For the ARX and ARMAX models, it is proposed an order reduction and obtention of a second order model. Using the transfer function obtained from this model it is possible to find the frequency and damping of the landing gear modes. For the state space model, through the obtention of the dynamical matrix and its eigenvalues it is possible to find the frequency and damping of the landing gear modes. The results obtained through these techniques are compared.

Este trabalho apresenta um pacote computacional, desenvolvido para a identificação de parâmetros de sistemas lineares multivariáveis, representados por equações a diferenças. O pacote possui flexibilidade para a estimação dos parâmetros, na presença de ruídos correlacionados. Os parâmetros são estimados utilizando os algoritmos de Mínimos Quadrados e Mínimos Quadrados Parcionado, em suas versões recursivas. Os dados de entrada/saída podem ser obtidos por simulação ou por aquisição de dados. O pacote permite o emprego da técnica de Monte Carlo para a análise estatística das estimativas. Exemplos de sistemas simulados são exaustivamente testados na validação dos algoritmos. É proposto um esquema, utilizando o pacote, para a obtenção das derivadas de estabilidade e controle de aeronaves.

Esta dissertação descreve estudo sobre quantificação de erros na identificação de sistemas advindos de uma baixa freqüência de amostragem e um sinal de excitação ruim, que não consiga excitar o sistema com a largura de banda desejada. Esses erros comprometem a precisão de uma boa identificação, ainda mais quando se trata da dinâmica dos sensores inerciais. Para conhecer as características desses sensores são usados simuladores de movimento, que na situação tinha a banda passante menor que a do sensor sob teste, ou seja, não se conseguia excitar toda a freqüência de largura de banda sensor. Diante desse erro, este trabalho teve seu estudo em identificação de sistema usando modelos como: ARX, ARMAX, BJ, OE e INVFREQ, no sentido de quantificar os erros nos resultados obtidos através de ensaios, utilizando duas funções de transferência muito próxima das funções reais utilizadas.

O presente trabalho apresenta a descrição de um modelo matemático completo em seis graus de liberdade para um Veículo Submersível Autônomo (VSA) sub-atuado. Desenvolveram-se métodos de identificação de sistemas para identificar o modelo não linear do veículo. A fim de evitar problemas de divergência na estimação de parâmetros hidrodinâmicos do modelo, usou-se o método de transformação paramétrica. Usou-se o filtro estendido de Kalman como estratégia para o processo de estimação de parâmetros quando ruídos de natureza gaussiana estavam presentes no modelo e nas medidas. Com o objetivo de estimar um maior número de parâmetros de uma só vez, empregou-se o método de máxima verossimilhança. Os experimentos mostraram que o filtro de Kalman responde bem à estimação de parâmetros específicos, porém, divergiu facilmente à estimação de múltiplos parâmetros. Uma alternativa que apresentou melhor desempenho foi o método de máxima verossimilhança. Testaram-se manobras circulares e de zig-zags para a obtenção de dados do veículo. Para os ensaios experimentais, utilizou-se o VSA sub-atuado do Laboratório de Veículos Não Tripulados (LVNT) do Departamento de Engenharia Mecatrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Validou-se o modelo identificado mediante o simulador do veículo. Numa segunda etapa, desenvolveram-se controladores H¥ capazes de controlar a dinâmica do VSA em seus seis graus de liberdade. Projetaram-se controladores SISO (uma entrada e uma saída) e MIMO (múltiplas entradas e múltiplas saídas) com o fim de avaliar o acoplamento dinâmico do sistema. Projetaram-se controladores centralizados robustos para garantir as condições de operação num ambiente marinho e em condições de laboratório próximas às de uma aplicação real. As leis de controle são baseadas na técnica de sensibilidade mista H¥ que garantem condições de robustez do sistema de controle, tanto no desempenho quanto na estabilidade. Uma estrutura de controle de dois graus de liberdade (2GL) produziu melhores propriedades de desempenho comparada com a estrutura do controlador de um grau de liberdade. Compararam-se as respostas dos controladores descentralizados SISO e os controladores centralizados. O controlador 2GL garantiu as especificações do projeto, inclusive aquelas definidas no domínio do tempo. Um controlador central pode controlar o veículo na realização de manobras complexas em três dimensões que emulem a inspeção ou monitoramento de sistemas offshores ou outras tarefas comuns na exploração submarinha. O trabalho apresenta também a integração dos algoritmos de controle com o sistema de tempo real embarcado, os sensores inerciais de navegação, os motores elétricos para os atuadores lemes e o propulsor, o banco de baterias e o processador central ARM7 de 32 bits de ponto fixo. Traduziram-se os algoritmos de controle de ordem elevada para a aritmética de ponto fixo produzindo a execução rápida e, no possível, evitando a ocorrência de transbordamento de dados. / This work presents a full six degrees-of-freedom mathematical model description of a subactuated Autonomous Underwater Vehicle (AUV). The work developed methods of System Identification for identifying the nonlinear model of the vehicle. In order to avoid divergence problems in the process of hydrodynamic, it used the parametric transformation technique. It used the extended Kalman filter to estimate the model parameters subject to Gaussian noise, in the process and in the measurements. In order to tackle the problem of multiple parameter estimation at once, the work used the maximum likelihood approach. The experimental results showed that the Kalman filter approach is better when the aim is to estimate a specific parameter, however, it diverges easily when the aim is to estimate multiple parameters. The maximum likelihood technique showed better response to estimate multiple parameters of the model. Zig-zag and circular standard maneuvers were tested with the identification algorithms. For experimental tests, an AUV, namely Pirajuba and constructed by the Unmanned Vehicle Laboratory (LVNT), were used. Results were also assessed using an AUV six degrees of freedom simulator. In a second stage, the work developed H¥ controllers to manoeuvre the vehicle in six-degrees-of-freedom. Decoupled SISO (single input and single output variables) and MIMO (multiple input and multiple output variables) controllers were synthesized in order to validate the coupling dynamics of the AUV. Moreover, centralized robust controllers were developed to control the vehicle in the sea and in test tanks with extreme conditions close to the ocean environmental. The control techniques were based in the H¥ mixed sensitivity approach which guarantees robust performance and stability of the sub-actuated system. A structure of two-degrees-of-freedom (2GL) controller presented better performance compared with the classic single H¥ controller of one degree of freedom structure. A comparison between responses was used to validate the decoupling and centralized controllers. The 2GL controller has good performance specifications despite these defined in the time domain. A central controller can control the AUV in complex maritime task that require complex and three-dimensional manoeuvres. The work deals also with the implementation issues coding these advanced control algorithms into the real time embedded system including inertial sensors, electric motors for the propeller and actuator surfaces, battery banks, and the unit central process ARM7 of 32 bits of fixed point. The control algorithms were translated from floating point to fixed point arithmetic avoiding data overflow, seeking simplicity and fast task execution.

A aquisição experimental de sinais neuronais é um dos principais avanços da neurociência. Por meio de observações da corrente e do potencial elétricos em uma região cerebral, é possível entender os processos fisiológicos envolvidos na geração do potencial de ação, e produzir modelos matemáticos capazes de simular o comportamento de uma célula neuronal. Uma prática comum nesse tipo de experimento é obter leituras a partir de um arranjo de eletrodos posicionado em um meio compartilhado por diversos neurônios, o que resulta em uma mistura de sinais neuronais em uma mesma série temporal. Este trabalho propõe um modelo linear de tempo discreto para o sinal produzido durante o disparo do neurônio. Os coeficientes desse modelo são calculados utilizando-se amostras reais dos sinais neuronais obtidas in vivo. O processo de modelagem concebido emprega técnicas de identificação de sistemas e processamento de sinais, e é dissociado de considerações sobre o funcionamento biofísico da célula, fornecendo uma alternativa de baixa complexidade para a modelagem do disparo neuronal. Além disso, a representação por meio de sistemas lineares permite idealizar um sistema inverso, cuja função é recuperar o sinal original de cada neurônio ativo em uma mistura extracelular. Nesse contexto, são discutidas algumas soluções baseadas em filtros adaptativos para a simulação do sistema inverso, introduzindo uma nova abordagem para o problema de separação de spikes neuronais. / The experimental acquisition of neuronal signals is a major advance in neuroscience. Through observations of electric current and potential in a brain region, it is possible to understand the physiological processes involved in the action potential generation, and create mathematical models capable of simulating the behavior of the neuronal cell. A common practice in this kind of experiment is to obtain readings from an array of electrodes positioned in a medium shared by several neurons, which results in a mixture of neuronal signals in the same time series. This work proposes a discrete-time linear model of the neuronal signal during the firing of the cell. The coefficients of this model are estimated using real samples of the neuronal signals obtained in vivo. The conceived modeling process employs system identification and signal processing concepts, and is dissociated from any considerations about the biophysical function of the neuronal cell, providing a low-complexity alternative to model the neuronal spike. In addition, the use of a linear representation allows the idealization of an inverse system, whose main purpose is to recover the original signal of each active neuron in a given extracellular mixture. In this context, some solutions based on adaptive filters are discussed for the inverse model simulation, introducing a new approach to the problem of neuronal spike separation.

Um problema-chave envolvendo processos químicos industriais é controlar, de forma confiável, eficiente e barata, a evolução dinâmica do sistema. Numa coluna de destilação, por exemplo, o objetivo do controle é manter a composição do destilado e do produto de fundo em torno de um valor desejado. As dificuldades operacionais e o alto custo dos analisadores industriais, existentes no mercado, usados na medição da composição têm motivado o projeto de sensores virtuais (soft sensors) para que, a partir de outras medições disponíveis, seja possível inferir de maneira online os valores das variáveis desejadas. Por outro lado, as redes neurais artificiais têm sido utilizadas em diversas aplicações práticas de engenharia, sendo possível usá-las para resolver problemas industriais complexos. Elas possuem diversas características que as fazem particularmente atrativas em aplicações envolvendo sistemas multivariáveis não lineares. Nesse trabalho, um estimador dinâmico virtual baseado em redes neurais é usado para inferir a composição de etanol destilado com base na temperatura e na pressão no interior da coluna, além das vazões de refluxo, do vapor no refervedor e da alimentação. Os resultados desse estudo poderão ser utilizados no desenvolvimento de futuros projetos envolvendo sensores virtuais aplicados ao controle e à otimização de processos industriais. / A key problem involving industrial chemical processes is to control the dynamic evolution of the system in a reliable, efficient and low cost way. In a distillation column, for example, the control objective is to keep the composition of both distillate and bottom product around a desired value. The operational difficulties and high cost of concentration analyzers, used for measuring the composition, have motivated the design of virtual sensors (soft sensors). They are used, in an online way, to infer the values of the desired variables from other available measurements. On the other hand, artificial neural networks have been used for solving many practical engineering applications involving complex industrial problems. They have several features, making them particularly attractive to applications involving nonlinear multivariable systems. In this work, a virtual estimator based on a dynamic neural network is used to infer the composition of distilled ethanol. Temperature and pressure within the column, and the flows of steam and reflux are used as inputs for the neural network. The results of this study can be used to develop future projects involving virtual sensors applied in control and optimization of industrial processes.