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.

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

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:13Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-08-14Bitstream added on 2014-06-13T18:31:06Z : No. of bitstreams: 1 perini_ea_me_ilha.pdf: 25219962 bytes, checksum: af8e5bb5738ecda8c45a59f9677a5507 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / 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. / 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.

Para aplicações de extração de petróleo de poços em terra foi desenvolvido pelo Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado (LMAG) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo um protótipo de motor de indução linear tubular (MILT), onde o movimento axial do secundário do motor aciona diretamente a bomba de extração situada no fundo do poço. Numa segunda etapa, foi prevista a substituição dos mancais mecânicos por dois mancais magnéticos ativos (AMBs), que permitem melhor movimentação e praticamente nenhum atrito, reduzindo o desgaste causado por impurezas contidas no petróleo extraído, e consequentemente os esforços de manutenção. Todavia, o protótipo atual possui apenas um mancal magnético, e o outro é mecânico. O presente trabalho apresenta a instalação do segundo mancal magnético ao protótipo do MILT, e propõe realizar o controle do sistema de mancais magnéticos para o MILT, tendo em vista um problema multivariável, onde as posições do secundário do motor em relação aos dois mancais são correlacionadas, bem como as ações de controle sobre os mesmos. O trabalho faz uma revisão do sistema atual com um AMB, abordando sua concepção física, modelagem e o controlador, e tal controlador é replicado para o segundo AMB. Um novo modelo é apresentado, considerando o comportamento multivariável dos dois AMBs, e um sistema de controle robusto multivariável é projetado, através da técnica LQG/LTR. Resultados de simulação do novo controlador são analisados e comparados com os resultados experimentais do controlador atual aplicado aos dois AMBs, e apresentam-se as conclusões. / For onshore oil extraction applications, a tubular linear induction motor (TLIM) prototype was developed by Applied Electromagnetism Laboratory (LMAG) of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, on which the axial movement of the motor secondary drives the suction pump, placed in the down hole of the oil well. In a second step, it was planned to replace the mechanical bearings by two Active Magnetic Bearings (AMB), in order to have better movement and practically no friction, reducing damages caused by impurities in the oil, thus reducing maintenance effort. Nevertheless, the actual prototype has only one AMB, being the other one a mechanical bearing. This paper presents the installation of the second AMB onto TLIM prototype, and a proposal to implement the control algorithm for the TLIM magnetic bearing system, considering now a multivariable problem, where the position of the motor secondary for both AMB are related, as well as control efforts. The present work review the actual system with only one AMB, approaching its physical construction, mathematical model and applied control system; and this control system is applied to the second AMB. A new model is presented, considering the AMB system multivariable behavior, and a multivariable robust control system is then designed, using LQG/LTR approach. Simulation results for the new controller are analyzed and compared to experimental results from the actual controller applied to both AMB, and some conclusions are presented.

Vibrações são intrínsecas às máquinas rotativas e, embora não possam ser completamente eliminadas, devem ser controladas de modo a se evitar fadiga e até mesmo falha da máquina. Neste contexto, devido à sua capacidade de alterar as características dinâmicas destas máquinas, os mancais ativos são uma solução efetiva a fim de se reduzir vibrações em rotores, permitindo não só maior ciclo de vida, mas também aumento de confiabilidade e desempenho. Frequentemente, o projeto do sistema de controle destes mancais baseia-se em um modelo matemático da planta, o qual pode ser de difícil obtenção e, devido à adoção de hipóteses simplificadoras (inerentes ao processo de modelagem), pode ser impreciso. Com base nestes conceitos, propõe-se a utilização de uma técnica de controle do tipo proporcional-derivativa baseada em medições de resposta em frequência (livre de modelos matemáticos) aplicada ao controle de vibrações em sistemas rotativos, contornando dificuldades de modelagem. Esta técnica é testada experimentalmente em uma bancada de testes cujos elementos de atuação são os eletromagnetos de um mancal ativo, e um algoritmo para a identificação automática das FRFs do sistema (algoritmo de autoidentificação) é desenvolvido e implementado, permitindo, de forma autônoma, o cálculo dos ganhos ótimos do controlador PD visando atenuação de vibrações. Com base nos resultados obtidos, tem-se que este trabalho é um estudo preliminar que pode viabilizar o desenvolvimento de um mancal ativo inteligente, o qual, a partir de medições do deslocamento do eixo, seria capaz de obter a resposta em frequência do sistema e determinar, de forma automática, os ganhos ótimos do controlador, possibilitando o controle autônomo de vibrações em sistemas rotativos, a partir de um algoritmo de autoidentificação e de uma metodologia de controle livre de modelos. / Vibrations are intrinsic to rotating machinery and, although they cannot be completely eliminated, it is important to control this kind of motion with the objective of avoiding fatigue and even failure of the machine. In this context, due to their capacity of changing the dynamic characteristics of these machines, active bearings are an effective solution to reduce vibration in rotors, allowing not only longer lifecycle, but also higher performance. Frequently, the design of the control system of these bearings is based on a mathematical model of the plant, whose obtainment can be hard and, due to the adoption of simplifying hypotheses (inherent to the modeling process), it may be imprecise. Keeping in mind these concepts, this dissertation proposes the use of a proportional-derivative control technique based on frequency response measurements (free of mathematical models) applied to the vibration control of rotating systems, overcoming modeling difficulties. This technique is experimentally tested in a test rig whose actuation elements are the electromagnets of an active bearing, and an algorithm for automatic identification of the system\'s FRFs (self-identification algorithm) is developed and implemented, allowing, in an autonomous way, the calculation of the optimum gains of the PD controller aiming at controlling vibrations. Based on the obtained results, this work consists in a preliminary study that may enable the development of a smart active bearing, which, from measurements of the shaft\'s displacement, would be capable of obtaining the frequency response of the system and determine, automatically, the optimum gains of the controller, making it possible the autonomous vibration control in rotating systems, from a self-identification algorithm and a model-free control methodology.

Para aplicações de extração de petróleo de poços em terra foi desenvolvido pelo Laboratório de Eletromagnetismo Aplicado (LMAG) da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo um protótipo de motor de indução linear tubular (MILT), onde o movimento axial do secundário do motor aciona diretamente a bomba de extração situada no fundo do poço. Numa segunda etapa, foi prevista a substituição dos mancais mecânicos por dois mancais magnéticos ativos (AMBs), que permitem melhor movimentação e praticamente nenhum atrito, reduzindo o desgaste causado por impurezas contidas no petróleo extraído, e consequentemente os esforços de manutenção. Todavia, o protótipo atual possui apenas um mancal magnético, e o outro é mecânico. O presente trabalho apresenta a instalação do segundo mancal magnético ao protótipo do MILT, e propõe realizar o controle do sistema de mancais magnéticos para o MILT, tendo em vista um problema multivariável, onde as posições do secundário do motor em relação aos dois mancais são correlacionadas, bem como as ações de controle sobre os mesmos. O trabalho faz uma revisão do sistema atual com um AMB, abordando sua concepção física, modelagem e o controlador, e tal controlador é replicado para o segundo AMB. Um novo modelo é apresentado, considerando o comportamento multivariável dos dois AMBs, e um sistema de controle robusto multivariável é projetado, através da técnica LQG/LTR. Resultados de simulação do novo controlador são analisados e comparados com os resultados experimentais do controlador atual aplicado aos dois AMBs, e apresentam-se as conclusões. / For onshore oil extraction applications, a tubular linear induction motor (TLIM) prototype was developed by Applied Electromagnetism Laboratory (LMAG) of Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, on which the axial movement of the motor secondary drives the suction pump, placed in the down hole of the oil well. In a second step, it was planned to replace the mechanical bearings by two Active Magnetic Bearings (AMB), in order to have better movement and practically no friction, reducing damages caused by impurities in the oil, thus reducing maintenance effort. Nevertheless, the actual prototype has only one AMB, being the other one a mechanical bearing. This paper presents the installation of the second AMB onto TLIM prototype, and a proposal to implement the control algorithm for the TLIM magnetic bearing system, considering now a multivariable problem, where the position of the motor secondary for both AMB are related, as well as control efforts. The present work review the actual system with only one AMB, approaching its physical construction, mathematical model and applied control system; and this control system is applied to the second AMB. A new model is presented, considering the AMB system multivariable behavior, and a multivariable robust control system is then designed, using LQG/LTR approach. Simulation results for the new controller are analyzed and compared to experimental results from the actual controller applied to both AMB, and some conclusions are presented.

Vibrações são intrínsecas às máquinas rotativas e, embora não possam ser completamente eliminadas, devem ser controladas de modo a se evitar fadiga e até mesmo falha da máquina. Neste contexto, devido à sua capacidade de alterar as características dinâmicas destas máquinas, os mancais ativos são uma solução efetiva a fim de se reduzir vibrações em rotores, permitindo não só maior ciclo de vida, mas também aumento de confiabilidade e desempenho. Frequentemente, o projeto do sistema de controle destes mancais baseia-se em um modelo matemático da planta, o qual pode ser de difícil obtenção e, devido à adoção de hipóteses simplificadoras (inerentes ao processo de modelagem), pode ser impreciso. Com base nestes conceitos, propõe-se a utilização de uma técnica de controle do tipo proporcional-derivativa baseada em medições de resposta em frequência (livre de modelos matemáticos) aplicada ao controle de vibrações em sistemas rotativos, contornando dificuldades de modelagem. Esta técnica é testada experimentalmente em uma bancada de testes cujos elementos de atuação são os eletromagnetos de um mancal ativo, e um algoritmo para a identificação automática das FRFs do sistema (algoritmo de autoidentificação) é desenvolvido e implementado, permitindo, de forma autônoma, o cálculo dos ganhos ótimos do controlador PD visando atenuação de vibrações. Com base nos resultados obtidos, tem-se que este trabalho é um estudo preliminar que pode viabilizar o desenvolvimento de um mancal ativo inteligente, o qual, a partir de medições do deslocamento do eixo, seria capaz de obter a resposta em frequência do sistema e determinar, de forma automática, os ganhos ótimos do controlador, possibilitando o controle autônomo de vibrações em sistemas rotativos, a partir de um algoritmo de autoidentificação e de uma metodologia de controle livre de modelos. / Vibrations are intrinsic to rotating machinery and, although they cannot be completely eliminated, it is important to control this kind of motion with the objective of avoiding fatigue and even failure of the machine. In this context, due to their capacity of changing the dynamic characteristics of these machines, active bearings are an effective solution to reduce vibration in rotors, allowing not only longer lifecycle, but also higher performance. Frequently, the design of the control system of these bearings is based on a mathematical model of the plant, whose obtainment can be hard and, due to the adoption of simplifying hypotheses (inherent to the modeling process), it may be imprecise. Keeping in mind these concepts, this dissertation proposes the use of a proportional-derivative control technique based on frequency response measurements (free of mathematical models) applied to the vibration control of rotating systems, overcoming modeling difficulties. This technique is experimentally tested in a test rig whose actuation elements are the electromagnets of an active bearing, and an algorithm for automatic identification of the system\'s FRFs (self-identification algorithm) is developed and implemented, allowing, in an autonomous way, the calculation of the optimum gains of the PD controller aiming at controlling vibrations. Based on the obtained results, this work consists in a preliminary study that may enable the development of a smart active bearing, which, from measurements of the shaft\'s displacement, would be capable of obtaining the frequency response of the system and determine, automatically, the optimum gains of the controller, making it possible the autonomous vibration control in rotating systems, from a self-identification algorithm and a model-free control methodology.