Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Co-orientador: Gustavo Luiz Chagas Manhães de Abreu / Banca: João Antonio Pereira / Banca: Paulo José Paupitz Gonçalves / Resumo: Estruturas flexíveis do tipo treliça estão presente em grande parte das aplicações industriais e possuem uma grande importância no dia a dia das pessoas, seja em uma simples antena de telecomunicações, ou em equipamentos mais sofisticados e com maior precisão, como por exemplo os satélites em órbita no espaço. Este trabalho apresenta o projeto e a construção de uma estrutura flexível inteligente além da realização do controle desta estrutura através do projeto e implementação de um controlador integral de força. O problema do projeto do controlador é resolvido através do método do lugar das raízes (root locus), utilizando um modelo identificado experimentalmente através do método de identificação de sistemas ERA/OKID. Atuadores de pilha de PZT's (Titanato Zirconato de Chumbo) do tipo stack são acoplados na estrutura juntamente com sensores de força, formando um elemento ativo responsável pelo controle de vibração da estrutura. O problema do posicionamento ótimo dos sensores e atuadores é resolvido através da técnica da energia modal de deformação (Fraction Energy Deformation Modal, FEDM). O modelo matemático utilizado para o cálculo do posicionamento dos sensores e atuadores foi feito através do método dos elementos finitos. São apresentados resultados analíticos e experimentais do problema de posicionamento dos sensores e atuadores e do problema do controle ativo. Os resultados mostram que um par de elementos ativos em conjunto com o controlador integral foram suficientes para resolver o problema de vibrações em estruturas flexíveis do tipo treliça, aumentando de forma considerável o seu amortecimento e, consequentemente, atenuando as vibrações da estrutura / Abstract: Flexible structures, for instance, trusses, are present in many industrial applications and have a great importance in the daily lives of people, either in a single telecommunications antenna, or either in more sophisticated and accurate devices, such as satellites orbiting in space. This work presents the design and the construction of a smart flexible structure. The control design of this structure was obtained through the implementation of an integral force controller. The controller design problem is solved by the root locus method, using a model identified experimentally by the system identification ERA / OKID method. Stack PZT (lead zirconate titanate) actuators were coupled in the structure with force sensors in order to obtain the active element responsible for vibration control of the structure. The problem of optimal sensors and actuators placement was solved using (Fraction Modal Deformation Energy technique, (FEDM)). The mathematical model used to calculate the placement of sensors and actuators was done by the finite element method. Analytical and experimental results for the problem of placement of sensors and actuators and the problem of active control are presented. The results showed that a pair of active elements in conjunction with the integral controller can be used to solve the problem of vibrations in flexible structures of truss type, considerably increasing their damping and hence attenuating the vibrations in the structure / Mestre

Tese de doutoramento. Ciências de Engenharia. 2007. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto

Made available in DSpace on 2015-07-13T12:10:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-02-10. Added 1 bitstream(s) on 2015-07-13T12:25:29Z : No. of bitstreams: 1 000836632.pdf: 3686157 bytes, checksum: e12d555e3dea58b96acbc5bb43db87fd (MD5) / Estruturas flexíveis do tipo treliça estão presente em grande parte das aplicações industriais e possuem uma grande importância no dia a dia das pessoas, seja em uma simples antena de telecomunicações, ou em equipamentos mais sofisticados e com maior precisão, como por exemplo os satélites em órbita no espaço. Este trabalho apresenta o projeto e a construção de uma estrutura flexível inteligente além da realização do controle desta estrutura através do projeto e implementação de um controlador integral de força. O problema do projeto do controlador é resolvido através do método do lugar das raízes (root locus), utilizando um modelo identificado experimentalmente através do método de identificação de sistemas ERA/OKID. Atuadores de pilha de PZT's (Titanato Zirconato de Chumbo) do tipo stack são acoplados na estrutura juntamente com sensores de força, formando um elemento ativo responsável pelo controle de vibração da estrutura. O problema do posicionamento ótimo dos sensores e atuadores é resolvido através da técnica da energia modal de deformação (Fraction Energy Deformation Modal, FEDM). O modelo matemático utilizado para o cálculo do posicionamento dos sensores e atuadores foi feito através do método dos elementos finitos. São apresentados resultados analíticos e experimentais do problema de posicionamento dos sensores e atuadores e do problema do controle ativo. Os resultados mostram que um par de elementos ativos em conjunto com o controlador integral foram suficientes para resolver o problema de vibrações em estruturas flexíveis do tipo treliça, aumentando de forma considerável o seu amortecimento e, consequentemente, atenuando as vibrações da estrutura / Flexible structures, for instance, trusses, are present in many industrial applications and have a great importance in the daily lives of people, either in a single telecommunications antenna, or either in more sophisticated and accurate devices, such as satellites orbiting in space. This work presents the design and the construction of a smart flexible structure. The control design of this structure was obtained through the implementation of an integral force controller. The controller design problem is solved by the root locus method, using a model identified experimentally by the system identification ERA / OKID method. Stack PZT (lead zirconate titanate) actuators were coupled in the structure with force sensors in order to obtain the active element responsible for vibration control of the structure. The problem of optimal sensors and actuators placement was solved using (Fraction Modal Deformation Energy technique, (FEDM)). The mathematical model used to calculate the placement of sensors and actuators was done by the finite element method. Analytical and experimental results for the problem of placement of sensors and actuators and the problem of active control are presented. The results showed that a pair of active elements in conjunction with the integral controller can be used to solve the problem of vibrations in flexible structures of truss type, considerably increasing their damping and hence attenuating the vibrations in the structure

Orientadores : Elnatan Chagas Ferreira, Osny Lisboa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-07-28T13:24:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rossetto_JonatasFred._M.pdf: 8056305 bytes, checksum: 90107144d55108505d265be81d24df53 (MD5) Previous issue date: 2000 / Resumo: A monitoração estrutural, em tempo real, de estruturas mecânicas e/ou da construção civil, constitui uma atividade importante para fornecer parâmetros para novos projetos e para possibilitar um acompanhamento constante da sua integridade, além de obter dados que permitem a otimização de operações que se utilizem destas estruturas. A presente dissertação contempla o estudo de um sistema capaz de monitorar duas grandezas importantes para a avaliação estrutural: temperatura e deformação mecânica. O sistema estudado se baseia em uma tecnologia emergente, a de Sensores Distribuídos utilizando Fibras Ópticas, a qual tem por / Abstract: This thesis contemplates the study of a system capable to monitor two important variables for the structural evaluation: temperature and mechanical deformation. The proposed system is based on an new technology known as Fiber Optic Distributed Sensors, which intends to acquire the profile of one or more physical variables over the length of an optical fiber. The nonlinear optical effect known as Brillouin stimulated scattering was studied aiming its application in the development of this kind of sensor. The physical theory of the Brillouin effect is presented. Numerical studies were developed to demonstrate the application of this effect in distributed sensors. The characterization of the Brillouin effect occurring in an monomode optical fiber is presented. The operation principie of the proposed system is presented through experimental results. As a preliminary work, the results are important to demonstrate the potential applications of this new technology, indicating that the development of future work in this area will be promising / Mestrado / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: João Pedro Albino / Banca: Maria Cristina Gobbi / Banca: Nirave Reigota Caram / Resumo: No Brasil a televisão (TV) de sinal aberto, apesar da sua grande abrangência, vem perdendo espaço para a televisão a cabo e para a internet com conteúdo via fluxo de mídia (streaming). Apesar dos atuais aparelhos de TV serem hoje denominados televisores inteligentes (SmartTV) eles são, na realidade, uma combinação de TV com internet, dependendo de conexão à rede de banda larga e aplicativos de redes sociais para oferecer interatividade na programação de TV aberta. Essa necessidade de outro dispositivo (smartphone, tablet etc.) faz com que as pessoas percam o interesse e deixem de assistir à televisão, pois se distraem com a variedade de funções que tais equipamentos possuem (e-mail, sites de notícias, dentre outros). Os fabricantes de televisores estão aprimorando a qualidade de imagens e sons dos atuais aparelhos de TV e vendem a sensação de se estar dentro dos programas veiculados. Porém, falta ainda um último passo nessa percepção que é o da interação entre os dois lados da tela. O objetivo desta pesquisa foi propor uma solução ao telespectador, trazendo de volta a simplicidade de assistir à televisão, mas com a capacidade de interação já oferecida em alguns programas televisivos através do uso do controle remoto. Portanto, nesta pesquisa técnico-científica propôs-se um novo método para a interatividade televisiva, utilizando a interatividade do canal de retorno ao Sistema Brasileiro de Televisão Digital: com o uso de um cartão inteligente de telefones celulares de tecnolo... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Despite its massive scope, the market share for analogue TV in Brazil has been decreasing; cable TV and streaming are taking over. Although TV sets are presently referred to as "intelligent devices" (Smart TV), in fact they blend TV programming and internet, thus needing connection with broadband network and social network applications in order to offer interactivity for analogue TV programming. The need for additional equipment (such as a smartphone or a tablet computer) induces viewers not to watch television; for they get distracted by the diversity of options such devices present (email, news websites, etc.). TV set manufacturers are currently improving the quality of its image and sound, making one feel they are within the show; however there is one step missing in this perception: the intercommunication between the two sides of the screen. This study proposes solutions to the viewer, retrieving that feeling of simplicity inherent to watching TV but with the existing interaction offered in some programs by means of the remote control. Therefore, this technical and scientific study introduces a new method of TV interactivity, employing the return channel interactivity to the Brazilian Digital Television System with the SIM card (intelligent card for GSMtechnology cell phones) and the telecommunication signals used in Brazil. This feature may promote a problem-solving alternative concerning the return channel interactivity, without the internet and its social media, howeve... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Orientador: José Manoel Balthazar / Coorientador: Ângelo Marcelo Tusset / Banca: Max Mauro Dias Santos / Banca: Paulo José Amaral Serni / Banca: Paulo Sergio da Silva / Banca: Atila Madureira Bueno / Resumo: Manipuladores robóticos leves trazem diversas vantagens quanto ao custo de produção e eficiência na relação carga útil e peso do robô. No entanto a utilização de materiais leves tende a aumentar a flexibilidade estrutural, principalmente na transmissão do torque e nos elos. As propostas de manipuladores apresentadas neste trabalho possuem requisitos conflitantes, pois deseja-se a redução do peso dos mecanismos e aumentar o desempenho, surgem então alguns desafios de engenharia. Desta forma, esta tese trata da modelagem mecânica, análise dinâ- mica e controle híbridos, utilizando atuadores inteligentes, para manipuladores robóticos com características flexíveis. Dois principais modelos de manipuladores robóticos com características flexíveis serão considerados neste trabalho: um para carregamento de carga conectadas a um cabo e outro para manuseio de ferramenta rotativa, ambos com interação não-ideal do elemento manipulado. É possível verificar comportamento caótico ao adicionar a carga aos manipuladores, trazendo assim, maiores desafios a proposta de controle. Na estratégia de controle são considerados como atuadores os motores CC (Corrente Contínua) e atuadores classificados como materiais inteligentes como a Liga de Memória de Forma (LMF), atuando nos elos flexí- veis, e freio Magneto-Reológico (MR-Brake), atuando nas juntas flexíveis. Utilizou-se da rede neural RBFNN para estimativa das variáveis de controle dos atuadores LMF e MR-Brake. O controle DSDRE (Discrete State De... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Light-weight robotic manipulators have advantages over the cost of production and efficiency in relation to payload and weight of the robot. However, the use of light-weight materials tends to increase structural flexibility in torque transmission and in the links of the robot. The manipulator proposals presented in this work have conflicting requirements since it is desired to reduce the weight of the mechanisms and increase the performance, it makes some engineering challenges. Thus, this thesis deals with mechanical modeling, dynamic analysis and hybrid control, using intelligent actuators, for robotic manipulators with flexible characteristics. Two models of robotic manipulators with flexible characteristics will be considered in this work: one for payload connected to a cable and another one for rotary tool, both with non-ideal interaction of the manipulated element. It is possible to verify chaotic behavior by adding the load to the manipulators, becoming a great challenger to the proposal control. DC motors and actuators classified as intelligent materials such as the shape memory alloy (SMA), acting on the flexible links, and Magneto-Rheological Brake (MR-Brake), acting on the flexible joints, are used in the strategy control. The neural network RBF was used to estimate the control variables of the SMA and MR-Brake actuators. The DSDRE (Discrete State Dependent Ricatti Equation) control is used as the control law. The numerical results show that the addition of hybrid... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Made available in DSpace on 2015-07-13T12:10:21Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-03-03. Added 1 bitstream(s) on 2015-07-13T12:25:21Z : No. of bitstreams: 1 000836490.pdf: 3117764 bytes, checksum: 5d9a7ede94877d0477f486615e2f510a (MD5) / Com o objetivo de assegurar a integridade estrutural de estruturas aeronáuticas, diversas técnicas de monitoramento da integridade estrutural têm sido estudadas. Uma das técnicas mais recentes é a utilização de sensores contínuos, constituídos de filmes delgados de nanocompósitos. A vantagem em se utilizar estes materiais é a possibilidade de se aplicar tais sensores em superfícies complexas, cobrindo uma grande área e utilizando poucos terminais de aquisição. Este tipo de material permite o controle das suas características mecânicas e elétricas, possibilitando a criação de um sensor customizado para cada situação. O nanocompósito mais encontrado na literatura para fins de detecção de falhas é o compósito de nanotubos de carbono (CNT), sendo que a matriz utilizada varia de acordo com cada caso. Este trabalho propõe a utilização de materiais alternativos como os nanofios de ITO (Indium tin oxide ou óxido de índio dopado com estanho) inseridos em matriz de PMMA (polimetil- metacrilato) para o revestimento da superfície a ser monitorada. Afim de verificar a efetividade destes sensores, diversos testes foram propostos. Estes testes consistem em monitorar o comportamento dos nancompósitos quando afetados por algum tipo de dano, os quais podem ser uma adição de massa, excesso de cargas tensoras ou uma trinca. Para isto, o intuito é medir as resistências elétricas entre dois pontos e verificar a influência do dano no valor medido. Em geral as resistências obtidas variaram entre 1kΩ e 10kΩ, sendo que com o aparecimento do dano, as medições apresentaram variações de mais de 30% tanto no caminho com o dano como nos caminhos em sua proximidade. Testes com o sensor em uma câmara ambiental, com controle de temperatura e umidade, mostraram que o sensor é sensível a altas temperatura e a altas umidades. Quanto à sensibilidade às tensões de tração aplicadas na placa, o sensor só mostrou alterações em sua... / With the objective of structural health monitoring (SHM) in aerospace structures, several monitoring techniques have been studied. One of the most recent techniques is based on the use of continuous sensors, made of thin films of nanocomposites. The advantage of using such materials is the possibility to apply them on complex surfaces, covering larger areas and using few acquisition terminals. Moreover, by using the nanocomposites, it is possible to control its mechanical and electrical properties, making it possible to create a customized sensor for each case. The nanocomposite found most commonly in the literature for damage detection are the carbon nanotubes (CNT) composites, while the matrix depends on each case. This work proposes the use of alternative materials such as the ITO (Indium tin oxide) nanowires inserted at PMMA (Poly(methyl methacrylate)) to be used as coatings for the monitored structure. In order to verify the effectiveness of this sensor, several tests were proposed. These tests consists on monitoring the nanocomposite's behavior when affected by some kind of damage, in which can be simulated by a mass addition, excess of load or a crack. The principle for the damage detection is to measure the electrical resistance between two points at the film sensor and verify the variations caused by the damage to these measurements. In general, the obtained resistances varied from 1kΩ to 10kΩ, while with the damage appearance the measurements varied more than 30% at the path with the damage and at the paths nearby. Tests at the environmental chamber, with temperature and humidity control, showed that the sensor is sensitive to high temperatures and humidity levels. Regarding the sensibility to stress applied to the plate, the sensor showed changes at the resistances only when the plate started to deform plastically. The obtained results are promising and indicate that this method is effective for damage detection

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2005-10-31Bitstream added on 2014-06-13T19:55:36Z : No. of bitstreams: 1 carvalhal_r_me_ilha.pdf: 892699 bytes, checksum: 6654a8de1bfad0655527d3268f00f2f1 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Este trabalho apresenta o desenvolvimento analítico da modelagem de estruturas flexíveis do tipo treliça com o objetivo de atenuação de vibrações através do uso de técnicas de controle ativo. Atuadores de pilha piezelétricos são usados para exercer as forças de controle na estrutura, os quais substituem barras inteiras ou somente uma parte delas. Estes tipos de atuadores, também, satisfazem a necessidade de obtenção de estruturas leves. O posicionamento ótimo desses atuadores e de sensores é encontrado através da norma Hx, que é usada como função objetivo. Como técnica de controle é aplicado o Controle no Espaço Modal Independente (IMSC), no qual os estados são estimados por um estimador modal e são realimentados de acordo com a teoria de controle ótimo, o Regulador Linear Quadrático (LQR). O IMSC é eficiente computacionalmente mesmo aplicado a sistemas de alta ordem e também reduz os efeitos de spillover. Uma melhoria do IMSC, o Controle Modal Eficiente (EMC) também é apresentado com o propósito de reduzir as amplitudes das forças de controle. O modelo matemático da estrutura inteligente é obtido a partir do Método dos Elementos Finitos (MEF) considerando o acoplamento eletromecânico entre os atuadores de pilhas piezelétricos e a estrutura base. O projeto de uma treliça espacial, o posicionamento ótimo dos atuadores e sensores e o controle ativo de vibração são apresentados em simulações numéricas. Os resultados mostram que ambos os controladores aumentam o amortecimento da estrutura e, ainda, o EMC reduz as amplitudes das forças de controle. / This work presents the analytic development of the modeling of flexible truss structures with the aim to suppress the mechanical vibration using active control techniques. Piezoelectric stack actuators are used to produce control force in the structure, which can replace an entire bar or can be coupled to structural members. They also satisfy the necessity to obtain lighter structures. The optimal placement of actuators and sensors is found through the Hã norm as objective function. As control technique is presented the Independent Modal Space Control (IMSC), in which a modal estimator is used and the Linear Quadratic Regulator (LQR) feedback the estimated states according the optimal control theory. IMSC is computationally efficient also applied in high order system and reduces the negative effects of the control and observer spillover. An improvement in the IMSC is the Efficient Modal Control (EMC) that is proposed to reduce the amplitudes of control forces. The mathematical model of the intelligent structure is obtained from Finite Elements Method (FEM) considering the electromechanical coupling between the piezoelectric stack actuators and the base structure. The design of a space truss structure, the optimal placement of active members and the active damping vibration control is numerically implemented. Two control techniques are tested and compared: IMSC and EMC. Results show that the controllers increase the damping of the structure noticeably. The EMC controller provides better performance, reducing the amplitudes of control forces.

Orientador: Vicente Lopes Júnior / Co-orientador: Marcelo Ornaghi Orlandi / Banca: Michael John Brennan / Banca: Carlos de Marqui Junior / Resumo: Com o objetivo de assegurar a integridade estrutural de estruturas aeronáuticas, diversas técnicas de monitoramento da integridade estrutural têm sido estudadas. Uma das técnicas mais recentes é a utilização de sensores contínuos, constituídos de filmes delgados de nanocompósitos. A vantagem em se utilizar estes materiais é a possibilidade de se aplicar tais sensores em superfícies complexas, cobrindo uma grande área e utilizando poucos terminais de aquisição. Este tipo de material permite o controle das suas características mecânicas e elétricas, possibilitando a criação de um sensor customizado para cada situação. O nanocompósito mais encontrado na literatura para fins de detecção de falhas é o compósito de nanotubos de carbono (CNT), sendo que a matriz utilizada varia de acordo com cada caso. Este trabalho propõe a utilização de materiais alternativos como os nanofios de ITO (Indium tin oxide ou óxido de índio dopado com estanho) inseridos em matriz de PMMA (polimetil- metacrilato) para o revestimento da superfície a ser monitorada. Afim de verificar a efetividade destes sensores, diversos testes foram propostos. Estes testes consistem em monitorar o comportamento dos nancompósitos quando afetados por algum tipo de dano, os quais podem ser uma adição de massa, excesso de cargas tensoras ou uma trinca. Para isto, o intuito é medir as resistências elétricas entre dois pontos e verificar a influência do dano no valor medido. Em geral as resistências obtidas variaram entre 1kΩ e 10kΩ, sendo que com o aparecimento do dano, as medições apresentaram variações de mais de 30% tanto no caminho com o dano como nos caminhos em sua proximidade. Testes com o sensor em uma câmara ambiental, com controle de temperatura e umidade, mostraram que o sensor é sensível a altas temperatura e a altas umidades. Quanto à sensibilidade às tensões de tração aplicadas na placa, o sensor só mostrou alterações em sua... / Abstract: With the objective of structural health monitoring (SHM) in aerospace structures, several monitoring techniques have been studied. One of the most recent techniques is based on the use of continuous sensors, made of thin films of nanocomposites. The advantage of using such materials is the possibility to apply them on complex surfaces, covering larger areas and using few acquisition terminals. Moreover, by using the nanocomposites, it is possible to control its mechanical and electrical properties, making it possible to create a customized sensor for each case. The nanocomposite found most commonly in the literature for damage detection are the carbon nanotubes (CNT) composites, while the matrix depends on each case. This work proposes the use of alternative materials such as the ITO (Indium tin oxide) nanowires inserted at PMMA (Poly(methyl methacrylate)) to be used as coatings for the monitored structure. In order to verify the effectiveness of this sensor, several tests were proposed. These tests consists on monitoring the nanocomposite's behavior when affected by some kind of damage, in which can be simulated by a mass addition, excess of load or a crack. The principle for the damage detection is to measure the electrical resistance between two points at the film sensor and verify the variations caused by the damage to these measurements. In general, the obtained resistances varied from 1kΩ to 10kΩ, while with the damage appearance the measurements varied more than 30% at the path with the damage and at the paths nearby. Tests at the environmental chamber, with temperature and humidity control, showed that the sensor is sensitive to high temperatures and humidity levels. Regarding the sensibility to stress applied to the plate, the sensor showed changes at the resistances only when the plate started to deform plastically. The obtained results are promising and indicate that this method is effective for damage detection / Mestre