Given the advantages of parallel manipulators and lightweight manipulators, a 3-PRR planar parallel manipulator with three lightweight intermediate links has been developed to provide an alternative high-speed pick-and-place positioning mechanism to serial architecture manipulators in electronic manufacturing, such as X-Y tables or gantry robots. Lightweight members are more likely to exhibit structural defection and vibrate due to the inertial forces from high speed motion, and external forces from actuators. Structural flexibility effects are much more pronounced at high operational speeds and accelerations. Therefore, this thesis presents the dynamics and vibration control of a 3-PRR parallel manipulator with three flexible links. Firstly, a procedure for the generation of dynamic equations for a 3-PRR parallel manipulator with three flexible intermediate links is presented based on the assumed mode method. The dynamic equations of the parallel manipulator with three flexible intermediate links are developed using pinned-pinned boundary conditions. Experimental modal tests are performed using an impact hammer and an accelerometer to identify the mode shapes, frequencies, and damping ratios of flexible intermediate links. The mode shapes and frequencies, obtained from experimental modal tests, match very well the assumed mode shapes and frequencies obtained based on pinned-pinned boundary conditions, and therefore the dynamic model developed is validated. Secondly, this thesis presents the investigation on dynamic stiffening and buckling of the flexible links of a 3-PRR parallel manipulator by including the effect of longitudinal forces on the modal characteristics. Natural frequencies of bending vibration of the intermediate links are derived as the functions of axial force and rigid-body motion of the manipulator. Dynamic stiffening and buckling of intermediate links is investigated and configuration-dependant frequencies are analyzed. Furthermore, using Lagrange multipliers, the fully coupled equations of motions of the flexible parallel manipulator are developed by incorporating the rigid body motions with elastic motions. The mutual dependence of elastic deformations and rigid body motions are investigated from the analysis of the derived equations of motion. Open-loop simulation without joint motion controls and closed-loop simulation with joint motion controls are performed to illustrate the effect of elastic motion on rigid body motions and the coupling effect amongst flexible links. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel manipulator with flexible intermediate links. Thirdly, an active vibration control strategy is developed for a moving 3-PRR parallel manipulator with flexible links, each of which is equipped with multiple PZT control pairs. The active vibration controllers are designed using the modal strain rate feedback (MSRF). The amplification behavior of high modes is addressed, and the control gain selection strategy for high modes is developed through modifying the IMSC method. The filters are developed for the on-line estimation of modal coordinates and modal velocity. The second compensator is used to cut off the amplified noises and unmodeled dynamics due to the differentiation operation in the developed controller. The modal coupling behavior of intermediate links is examined with the modal analysis of vibrations measured by the PZT sensors. The error estimation of the moving platform is examined using the measurement of PZT sensors. Finally, an active vibration control experimental system is built to implement the active vibration control of a moving 3-PRR parallel manipulator with three flexible links. The smart structures are built through mounting three PZT control pairs to each intermediate flexible link. The active vibration control system is set up using National Instruments LabVIEW Real-Time Module. Active vibration control experiments are conducted for the manipulator moving with high-speed, and experimental results demonstrate that the vibration of each link is significantly reduced.

[pt] Nesse trabalho, estuda-se o desempenho de um absorsor pendular no controle de vibrações de torres altas e esbeltas, ocasionadas por carregamentos dinâmicos, tais como, por exemplo, cargas ambientais. Em virtude da possibilidade de oscilações de grande amplitude, considera- se na modelagem do problema a não-linearidade do pêndulo. O principal objetivo é estudar o comportamento do sistema torre-pêndulo, submetido a um carregamento harmônico, no regime não-linear, abordando-se aspectos gerais ligados à estabilidade dinâmica. Apresenta-se, inicialmente, a formulação necessária para obter o funcional de energia do sistema coluna-pêndulo, tanto para o caso linear quanto para o caso não-linear, do qual derivam-se as equações diferenciais parciais de movimento. A partir das equações lineares, obtêm-se as freqüências naturais e modos de vibração para alguns casos relevantes de coluna. A seguir, com base na análise modal do sistema coluna-pêndulo, deriva-se um modelo de dois graus de liberdade capaz de descrever com precisão o comportamento do sistema na vizinhança da freqüência fundamental da coluna, do qual obtêm-se as equações de movimento e as equações de estado não- lineares. Uma análise paramétrica detalhada das oscilações não-lineares do sistema coluna-pêndulo demonstra que o absorsor pendular passivo pode reduzir ou amplificar a resposta da coluna. No estudo da influência da não-linearidade geométrica do pêndulo, verifica-se a importância dessa na resposta do sistema, evidenciando que a nãolinearidade não pode ser desprezada nessa classe de problema. Por fim, com base nos resultados, propõe-se um absorsor pendular híbrido. Os estudos revelam que este controle é mais eficiente que o passivo e que não requer grande gasto de energia. / [en] In the present work the performance of a pendulum absorber in the vibration control of tall and slender towers, caused by dynamic loads, such as, environmental loads, is studied in detail. Due to the possibility of large amplitude oscillations, the non-linearity of the pendulum is considered in the modeling of the problem. The main objective of this research is to study the behavior of the tower-pendulum system, submitted to a harmonic load, in the nonlinear regimen, with emphasis on general aspects related to its dynamic stability. It is presented, initially, the formulation necessary for the derivation of the system´s energy functional, both for the linear and the nonlinear cases, from which the partial differential equations of motion are derived and the vibration frequencies and related vibration modes are obtained. Then, based on the modal analysis of the column-pendulum system, a two degrees of freedom model, capable of describing with precision the behavior of the system in the neighborhood of the fundamental frequency of the column is derived, from which the equations of motion and the nonlinear state-space equations are obtained. A detailed parametric analysis of the nonlinear oscillations of the system is carried out. It shows that the pendulum may reduce or amplify the response of the column. The results show a marked influence of the geometric not-linearity of the pendulum on the response of the system, showing that its not-linearity cannot be neglected in this class of problems. Finally, based on the results, a hybrid control approach is proposed. These studies show that this control strategy is more efficient than the passive control alone and that it does not require a large amount of energy.

Esta dissertação apresenta uma análise numérica do controle de vibrações estruturais através de cerâmicas piezoelétricas em extensão e em cisalhamento conectadas a circuitos ativo-passivos compostos por resistência, indutância e fonte de tensão. Para tal, um modelo de elementos finitos de vigas sanduíche com três camadas elásticas e/ou piezoelétricas foi desenvolvido. Realizou-se também uma modelagem dos componentes do circuito elétrico e seu acoplamento à estrutura gerando assim uma equação de movimento acoplada para a estrutura com elementos piezoelétricos conectados aos circuitos elétricos. Uma análise harmônica das equações obtidas foi realizada para se obter uma avaliação preliminar dos efeitos causados pelos componentes elétricos do circuito na estrutura. Observou-se que os elementos passivos do circuito, resistência e indutância, tem não somente um efeito de absorvedor dinâmico de vibrações mas, também, promovem uma amplificação da autoridade de controle no caso de se atuar através da fonte de tensão. Usando a metodologia tradicional de projeto de absorvedores dinâmicos de vibrações, derivou-se expressões para os valores de resistência e indutância de modo a maximizar o desempenho passivo do sistema. Uma análise numérica do desempenho na redução das amplitudes de vibração em um viga engastada-livre com uma cerâmica piezoelétrica em extensão ou cisalhamento foi realizada mostrando bons resultados. Em seguida, uma análise da autoridade de controle para estas estruturas foi realizada visando a implementação de um controle híbrido ativo-passivo. A parcela ativa do controle foi obtida usando-se uma estratégia de controle por retroalimentação ótima do tipo linear quadratic regulator para calcular a tensão aplicada ao circuito. Uma comparação entre os resultados mostra que o controle híbrido ativo-passivo é sempre superior aos controles puramente ativos ou passivo para os dois casos estudados, com cerâmicas piezoelétricas em extensão e cisalhamento. / This work presents a numerical analysis of the structural vibration control using piezoelectric materials in extension and shear mode connected to active-passive electric circuits composed of the resistance, inductance and voltage source. For that, a finite element model for sandwich beams with three elastic or piezoelectric layers was developed. A modeling of the electric circuit dynamics and its coupling to the structure with piezoelectric elements was also done. A harmonic analysis of the resulting equations was performed to yield a preliminary evaluation of the effects caused by the electric circuit components on the structure. It was observed that the passive circuit components not only lead to a dynamic vibration absorber effect but also to an amplification of the control authority in case of actuation using the voltage source. Using the standard methodology for the design of dynamic vibration absorbers, expressions were derived for the resistance and inductance values that optimize the passive vibration control performance of the system. A numerical analysis of the passive vibration control was performed for cantilever beams with extension and shear piezoelectric ceramics showing satisfactory results. Then, an analysis of the control authority was carried out for the same structures aiming at an active-passive vibration control. The active control was achieved using a linear quadratic regulator optimal feedback strategy to evaluate the voltage applied to the circuit. A comparison between the obtained results show that hybrid active-passive control is always superior to the purely active or purely passive control for both cases studied, with extension and shear piezoelectric ceramics.

Este trabalho apresenta uma análise paramétrica da reposta dinâmica de colunas de perfuração de poços de petróleo com controle proporcional-integral de velocidade não colocalizado. A operação de perfuração de poços de petróleo e gás em águas profundas consiste na abertura de poços em solo rochoso através de uma broca cuja rotação é controlada por uma mesa rotativa na superfície. O torque imposto pela mesa é transmitido à broca por meio de uma coluna de perfuração. Particularmente no caso de perfuração em águas profundas, as colunas de perfuração podem ser muito extensas e, portanto, bastante flexíveis. As vibrações ocasionadas pela grande flexibilidade das colunas de perfuração são as principais responsáveis por falhas no processo de perfuração. Em particular, o fenômeno não-linear conhecido como stick-slip e relacionado às vibrações torcionais da coluna de perfuração, faz com que um sistema de controle projetado para manter a velocidade da mesa constante dê origem a grandes oscilações na velocidade da broca. Na prática, este fenômeno é amplificado pela inerente não-linearidade do contato entre broca e formação rochosa e pela forte não colocalização entre mesa rotativa e broca. Este trabalho tem por principal objetivo realizar uma análise paramétrica da dinâmica do processo de perfuração, usando um modelo de dois graus de liberdade para representar o conjunto mesa rotativa, coluna de perfuração e broca, para identificar condições nas quais uma lei de controle simples do tipo linear proporcional-integral pode fornecer um desempenho de perfuração estável e satisfatório. / This paper presents a parametric analysis of the dynamics of oilwell drillstrings with non-collocated proportional-integral velocity control. The drilling operation for oil and gas in deep waters consists of opening wells in rocky ground formation by a drill, whose angular speed is controlled by a rotary table at the surface. The torque applied by the table is transmitted to the drill-bit through the drillstring. Particularly in the deepwater drilling case, the drillstring can be very long and therefore very flexible. The vibrations caused by the great flexibility of drilling columns are mainly responsible for the failures in the drilling process. In particular, the nonlinear phenomenon known as stick-slip and related to the torsional vibration of the drillstring, makes that a control system designed to maintain a constant angular velocity at the table yield large variations at the drill-bit angular velocity. In practice, this phenomenon is amplified by the inherent nonlinearity of the contact between drill bit and rock formation and by the strong non-colocalization between rotary table and drill-bit. The main objective of this work is to perform a parametric analysis of the dynamics of the drilling process, using a two degrees of freedom model in order to represent the rotary table assembly, the drilling column and drill-bit, to identify conditions in which a simple control law, such as a linear proportional-integral velocity control, can provide a stable and satisfactory drilling performance.

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

A natureza vibratória, oriunda da transferência energética, manifesta-se em todos os sistemas e estruturas. Na engenharia, essa transferência energética se revela como um fenômeno vibratório indesejável ou desejável. Em sistemas mecânicos, o controle dinâmico para mitigação de vibrações indesejáveis se realiza através de diversas técnicas e configurações, entre os mais usuais, o Amortecedor de Massa Sintonizável (AMS). No entanto, sabe-se que seu desempenho é suscetível a alterações nas frequências de operação e na natureza das excitações. Em sistemas elétricos, as vibrações do ambiente podem ser desejáveis e convertidas em energia elétrica útil para a realimentação de rede de sensores sem fio e computação pervasiva. A fim de combinar estes fenômenos e reduzir custos de operação, é necessário projetar dispositivos sintonizáveis robustos capazes de operar eficientemente em uma banda larga de frequências. Portanto, este trabalho visa projetar e analisar experimentalmente um atenuador de vibrações eletromagnético sintonizável (semi-ativo) com captação energética (AEMSCE) através da introdução deliberada de não linearidades. O AEMSCE consiste em um sistema massa-mola-amortecedor não linear com um ímã oscilante central orientado sob forças repulsivas magnéticas e uma bobina instalada, sendo capaz de dissipar as vibrações da estrutura e convertê-las em energia elétrica útil. Os recursos e parâmetros do AEMSCE são apresentados e identificados. O fator de transdução eletromagnético que acopla o sistema mecânico ao elétrico é quantificado. Mostra-se que a variação da distância entre ímãs promove ao sistema ressonância ajustável e que a força de restauração magnética resultante apresenta uma faixa de operação linear. No trabalho, verifica-se que o campo de máxima captação energética está contido na faixa de operação linear confirmando a relevância deste campo linear. O comportamento do sistema é analisado considerando as influências da força restauradora magnética, das forças amortecidas e da força de atrito. A partir dessas análises e das aproximações realizadas, apresenta-se estratégias de controle passivas e técnicas de otimização para mitigação, cuja resultante é um campo de atenuação ótimo, assim como desenvolve-se métodos de otimalidade para maximizar a conversão energética do AEMSCE, cuja resultante é um amortecimento elétrico ótimo ou um amortecimento admissível ótimo (deslocamento máximo). Métodos analíticos e simulações numéricas são desenvolvidos em todo o trabalho com diferentes configurações para analisar a robustez e eficiência do dispositivo, através do comportamento dinâmico vibratório à resposta transiente e estacionária induzido por excitação de base harmônica. De maneira geral, os resultados mostram que os parâmetros de sintonia e amortecimento do AEMSCE podem ser combinados e ajustados para ampliar o controle de vibrações da estrutura e maximizar a captação energética, principalmente na ressonância. Verifica-se que existe uma relação de importância da tensão induzida e do amortecimento elétrico, através da variação da resistência de carga no resistor, com a atenuação e captação energética. Por fim, este trabalho buscou apresentar os melhores métodos e resultados de parâmetros de amortecimento a fim de obter informações como guia de projeto para otimizar os dispositivos futuros e para a proposição de incorporar um controle semiativo ao AEMSCE. Como forma de melhorar o desempenho em aplicações futuras, é possível combinar as propriedades ótimas resultantes e ajustá-las através de estratégias de controle semiativa, explorando a dinâmica linear e não linear do sistema. / Vibratory nature, derived from the energy transfer, manifests itself in all systems and structures. In engineering, this energy transfer is revealed as an undesirable or desirable vibrational phenomenon. In mechanical systems, the dynamic control to mitigate undesirable vibrations is achieved through several techniques and configurations, among the most usual, the Tunable Mass Damper (TMD). However, it is known that their performance is susceptible to changes in the operating frequencies and the nature of the excitations. In electrical systems, ambient vibrations may be desirable and converted into useful electrical energy for the feedback of wireless sensors network and pervasive computing. In order to combine these phenomena and reduce operating costs, it is necessary to design robust tunable devices capable of operating efficiently over a wide frequency band. Therefore, this work aims to design and experimentally analyze a tunable electromagnetic vibrations absorver (semi-active) with energy harvesting (TEMAEH) through the deliberated introduction of non-linearities. TEMAEH consists of a non-linear mass-spring-damper system with a central oscillating magnet oriented under magnetic repulsive forces and a coil installed, being able to dissipate vibrations of the structure and convert them into useful electrical energy. The TEMAEH features and parameters are presented and identified. Electromagnetic transduction factor that couples the mechanical to electrical system is quantified. It is shown that the variation of the distance between magnets provides adjustable resonance to the system and that the resulting magnetic restoring force has a linear operating range. In the work, it is verified that the field of maximum energy harvesting is contained in the linear operating range confirming the relevance of this linear field. The behavior of the system is analyzed considering the influences of magnetic restoring force, damped forces and frictional force. From these analyzes and the approximations performed, passive control strategies and optimization techniques for mitigation are presented, resulting in an optimum attenuation field, as well as optimization methods to maximize the energy conversion of the TEMAEH, resulting in an optimum electric damping or optimum permissible damping (maximum displacement). Analytical methods and numerical simulations are developed throughout the work with different configurations to analyze the robustness and efficiency of the device through the dynamic behavior of vibration to the transient and stationary response induced by harmonic based excitation. In general, the results show that the tuning and damping parameters of the TEMAEH can be combined and adjusted to increase the vibration control of the structure and to maximize energy harvesting, especially in resonance. It is verified that there is a relation of importance of the induced voltage and the electrical damping, through the variation of the load resistance in the resistor, with the attenuation and power generation. Finally, this work sought to present the best methods and results of damping parameters in order to obtain information as a project guide to optimize future devices and for the proposition to incorporate a semiative control to TEMAEH. As a way to improve performance in future applications, it is possible to combine the resulting optimal properties and adjust them through semiative control strategies, exploring the linear and non-linear dynamics of the system.

En conception de produits ou de systèmes, les approches d'optimisation déterministe sont de nos jours largement utilisées. Toutefois, ces approches ne tiennent pas compte des incertitudes inhérentes aux modèles utilises, ce qui peut parfois aboutir à des solutions non fiables. Il convient alors de s'intéresser aux approches d'optimisation stochastiques. Les approches de conception robuste à base d'optimisation stochastique (Reliablity Based Robust Design Optimization, RBRDO) tiennent compte des incertitudes lors de l'optimisation au travers d'une boucle supplémentaire d'analyse des incertitudes(Uncertainty Anlysis, UA). Pour la plupart des applications pratiques, l'UA est réalisée par une simulation de type Monte Carlo (Monte Carlo Simulation, MCS) combinée avec l’analyse structurale. L'inconvénient majeur de ce type d'approche réside dans le coût de calcul qui se révèle être prohibitif. Par conséquent, nous nous sommes intéressés dans nos travaux aux développements de méthodologies efficaces pour la mise en place de RBRDO s'appuyant sur une analyse MCS. Nous présentons une méthode d'UA s'appuyant sur une analyse MCS dans laquelle la réponse aléatoire est approximée sur une base du chaos polynomial (Polynomial Chaos Expansion, PCE). Ainsi, l'efficacité de l'UA est grandement améliorée en évitant une trop grande répétition des analyses structurales. Malheureusement, cette approche n'est pas pertinente dans le cadre de problèmes en grande dimension, par exemple pour des applications en dynamique. Nous proposons ainsi d'approximer la réponse dynamique en ne tenant compte que de la résolution aux valeurs propres aléatoires. De cette façon, seuls les paramètres structuraux aléatoires apparaissent dans le PCE. Pour traiter le problème du mélange des modes dans notre approche, nous nous sommes appuyés sur le facteur MAC qui permet de le quantifier. Nous avons développé une méthode univariable permettant de verifier quelle variable générait un mélange de modes de manière à le réduire ou le supprimer. Par la suite, nous présentons une approche de RBRDO séquentielle pour améliorer l'efficacité et éviter les problèmes de non-convergence présents dans les approches de RBRDO. Dans notre approche, nous avons étendu la stratégie séquentielle classique, visant principalement à découpler l'analyse de fiabilité de la procédure d'optimisation, en séparant l'évaluation des moments de la boucle d'optimisation. Nous avons utilisé une approximation exponentielle locale autour du point de conception courant pour construire des objectifs déterministes équivalents ainsi que des contraintes stochastiques. De manière à obtenir les différents coefficients pour notre approximation, nous avons développé une analyse de sensibilité de la robustesse basée sur une distribution auxiliaire ainsi qu'une analyse de sensibilité des moments basée sur l'approche PCE. Nous montrons la pertinence ainsi que l'efficacité des approches proposées au travers de différents exemples numériques. Nous appliquons ensuite notre approche de RBRDO pour la conception d'un amortisseur dans le domaine du contrôle passif vibratoire d'une structure présentant des grandeurs aléatoires. Les résultats obtenus par notre approche permettent non seulement de réduire la variabilité de la réponse, mais aussi de mieux contrôler l'amplitude de la réponse au travers d'un seuil choisi par avance. / Deterministic design optimization is widely used to design products or systems. However, due to the inherent uncertainties involved in different model parameters or operation processes, deterministic design optimization without considering uncertainties may result in unreliable designs. In this case, it is necessary to develop and implement optimization under uncertainties. One way to deal with this problem is reliability-based robust design optimization (RBRDO), in which additional uncertainty analysis (UA, including both of reliability analysis and moment evaluations) is required. For most practical applications however, UA is realized by Monte Carlo Simulation (MCS) combined with structural analyses that renders RBRDO computationally prohibitive. Therefore, this work focuses on development of efficient and robust methodologies for RBRDO in the context of MCS. We presented a polynomial chaos expansion (PCE) based MCS method for UA, in which the random response is approximated with the PCE. The efficiency is mainly improved by avoiding repeated structural analyses. Unfortunately, this method is not well suited for high dimensional problems, such as dynamic problems. To tackle this issue, we applied the convolution form to compute the dynamic response, in which the PCE is used to approximate the modal properties (i.e. to solve random eigenvalue problem) so that the dimension of uncertainties is reduced since only structural random parameters are considered in the PCE model. Moreover, to avoid the modal intermixing problem when using MCS to solve the random eigenvalue problem, we adopted the MAC factor to quantify the intermixing, and developed a univariable method to check which variable results in such a problem and thereafter to remove or reduce this issue. We proposed a sequential RBRDO to improve efficiency and to overcome the nonconvergence problem encountered in the framework of nested MCS based RBRDO. In this sequential RBRDO, we extended the conventional sequential strategy, which mainly aims to decouple the reliability analysis from the optimization procedure, to make the moment evaluations independent from the optimization procedure. Locally "first-torder" exponential approximation around the current design was utilized to construct the equivalently deterministic objective functions and probabilistic constraints. In order to efficiently calculate the coefficients, we developed the auxiliary distribution based reliability sensitivity analysis and the PCE based moment sensitivity analysis. We investigated and demonstrated the effectiveness of the proposed methods for UA as well as RBRDO by several numerical examples. At last, RBRDO was applied to design the tuned mass damper (TMD) in the context of passive vibration control, for both deterministic and uncertain structures. The associated optimal designs obtained by RBRDO cannot only reduce the variability of the response, but also control the amplitude by the prescribed threshold.

O objetivo deste trabalho é investigar o controle ativo de vibração em uma pá inteligente de helicóptero. O desenvolvimento de materiais inteligentes para trabalharem como sensores e atuadores apresentam uma nova alternativa no controle de vibração. A pá de helicóptero é modelada pelo método dos elementos finitos, considerando os movimentos de batimento, flexão no plano de rotação, estiramento axial e torção. O modelo da pá considera também ângulo de torção geométrica, não coincidência entre os eixos, elástico e do centro de gravidade das seções transversais e material isotrópico. O modelo matemático é desenvolvido, e nele é incorporado atuadores piezelétricos distribuídos ao longo da envergadura da pá. O controle ativo de vibração é baseado no controle individual da pá na condição de vôo pairado. As matrizes de elementos finitos são obtidas pelo método de energia e um procedimento de linearização é aplicado às equações resultantes. O carregamento aerodinâmico linearizado é calculado para a condição de vôo pairado e a representação no espaço de estados é usada para o projeto de um controlador. Usou-se a técnica de atribuição da autoestrutura por realimentação de saída no modelo de ordem reduzida, resultado da aplicação do método da expansão por frações parciais. As simulações do modelo em malha aberta e fechada, exibiu boas qualidades de resposta, o que mostra que o controle ativo é uma boa alternativa para a redução de vibrações em helicópteros. / The objective of this work is to investigate the performance of a smart helicopter blade. Developments on smart materials for both sensing and/or actuation have provided a novel alternative in vibration control. The helicopter blade is modeled by the finite element method, considering the motions of flapping, lead-lagging, axial stretching, and torsion. The blade model also considers a pretwist angle, offset between mass and elastic axes, and isotropic material. The helicopter blade mathematical model allows the incorporation of piezoelectric actuators distributed along the blade span. The active vibration control is based on the premise of individual blade control and the investigation is carried out for hovering flight condition the finite element matrices are obtained by energy methods and a linearization procedure is applied to the resulting expressions. The linearized aerodynamic loading is calculated for hover and the state-space approach is used to design the control law. The eigenstructure assignment by output feedback is used in the blade-reduced model resulting from the application of the expansion method by partial fractions. The simulations for open and closed-loop systems are presented, having exhibited good response qualities, which shows that output feedback is a good alternative for smart helicopter blade vibration attenuation.

"The recent years have seen the innovative system integration of a great many actuator technologies, such as point force actuators for space vehicle applications and the use of single fire actuators; such as pyrocharges to guide a free falling bomb to it’s target. The inherent limitations of these developments, such as nonlinear behavior under extreme environments and/or prolonged/repeated usage leading to a relaxation time component between firing of actuators and inherent system power limitations, have resulted in greater need for sophisticated control algorithms that allow for optimal switching between various actuators in any given embedded configuration so as to achieve the best possible performance of the system. The objective of this investigation is to offer a proof of concept experimental verification of a real time control algorithm, which switches between online piezoelectric actuators, employed for vibration control in an aluminum beam with fixed boundary conditions. In this investigation at a given interval of time, only one actuator is activated and the rest are kept dormant. The reason is to demonstrate the better vibration alleviation characteristics realized in switching between actuators depending on the state of the system, over the use of a single actuator that is always in fire mode. This effect is particularly pronounced in controlling systems affected by spatiotemporal disturbances. The algorithm can be easily adapted for various design configurations or system requirements. The optimality of switching is with respect to the minimal cost of an LQR performance index that corresponds to each actuator. Computer simulations with repeatable disturbance profiles, revealed that this algorithm offered better performance over the non-switched case. Performance measures employed were the time varying total energy norm of the dynamic system and position traces at any particular location on the beam. This algorithm was incorporated on a dSPACE rapid prototyping platform along with suitable hardware. Experimental and simulation results are discussed. "

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