Thesis (doctoral)--Helsinki University of Technology, 2007. / Includes bibliographical references (p. 142-151). Also available on the World Wide Web.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

Nas últimas décadas, intensas pesquisas estão sendo desenvolvidas na área de controle ativo de vibrações utilizando estruturas flexíveis e transdutores piezoelétricos distribuídos em sua superfície. Este trabalho possui como objetivo a implementação, identificação e a aplicação do controle ativo de vibrações em barras engastadas. Os transdutores piezoelétricos são fixados próximos à extremidade fixa da barra. Um sistema de aquisição de sinais e de controle é utilizado para gravar os dados experimentais e implementar os projetos dos controladores de vibrações. Para a implementação computacional foi utilizado o software Matlab operando em conjunto com uma placa dSpace DS1104. A identificação do sistema, efetuada a partir da resposta em frequência das barras, é realizada considerando apenas os três primeiros modos de vibração das barras. Um modelo teórico que representa a dinâmica do sistema é apresentado e seus parâmetros são ajustados de acordo com dados experimentais, obtidos em ensaios, com a estrutura flexível. Para o problema de rejeição a perturbações e regulação de posição, são aplicados os métodos de controle conhecidos como Positive Position Feedback (PPF) e de Alocação de Pólos. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a eficácia do controle ativo de vibrações, utilizando transdutores piezoelétricos. / In recent decades, intensive researches have been developed in the area of active vibration control making use of flexible structures and piezoelectric transducers distributed on its surface. This work aims to identify, implement and apply the active control of vibrations in cantilevers beams. The piezoelectric transducers are surface-bonded near the fixed end of cantilever beam. A data acquisition and control system is used to record experimental data and to implement the design of a vibration controller. The software Matlab operating in conjunction with a board dSpace DS1104 was used for the computational implementation. The identification system, made from the frequency response of the cantilevers beams, is performed by considering only the first three modes of vibration of the cantilevers beams. A theoretical model representing the system dynamics is presented and its parameters are adjusted according to experimental data, obtained in tests, with the flexible structure. As for the problem of disturbance rejection and regulation position, control methods known as Positive Position Feedback (PPF) and Pole Placement are applied. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of active control of vibration using piezoelectric transducers.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

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.

Submitted by DANIEL CELSO DALTIN null (danieldaltin@gmail.com) on 2017-06-07T13:22:34Z No. of bitstreams: 1 DissertMestradoDaltin2017.pdf: 2523756 bytes, checksum: 17fa1282844e841155dffaaecaca7f4d (MD5) / Approved for entry into archive by Luiz Galeffi (luizgaleffi@gmail.com) on 2017-06-07T13:36:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 daltin_dc_me_bauru.pdf: 2523756 bytes, checksum: 17fa1282844e841155dffaaecaca7f4d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-07T13:36:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 daltin_dc_me_bauru.pdf: 2523756 bytes, checksum: 17fa1282844e841155dffaaecaca7f4d (MD5) Previous issue date: 2017-05-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O estudo de técnicas de controle de vibração tem grande importância em diversas áreas da Engenharia, tais como Aeroespacial, Automobilística, Mecânica, Robótica, etc. Um dos principais problemas observados nesses sistemas referem-se as oscilações mecânicas oriundas dos movimentos, ocasionando as vibrações nas estruturas flexíveis. Os sistemas de controle de veículos espaciais, satélites artificiais, manipuladores robóticos, guindastes rotativos, vigas engastadas, entre outros, mesmo se considerados rígidos, apresentam comportamento não-linear. Analisar essas situações expostas visa, dentro das diversas áreas, proporcionar maior margem de segurança e estabilidade do equipamento, da carga e dos usuários. Diante desse contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver modelos matemáticos para sistemas rotacionais em estruturas flexíveis e aplicar um Observador de Estados para estimar as variáveis de estado, que permite diminuir a quantidade de sensores, e projetar controladores para atenuar vibrações, com base na resposta experimental, na avaliação, verificação e validação do modelo desenvolvido para controlar vibrações em estruturas flexíveis. A metodologia utilizada baseia-se em desenvolver modelos matemáticos do sistema de controle de vibração para o sistema Rotary Flexible Link da Quanser, que consiste de uma haste metálica flexível acoplada a um servomecanismo que permite o movimento rotacional no plano horizontal. Para a obtenção das equações de movimento, considerou-se o método de Euler-Lagrange. Os resultados foram o desenvolvimento e validação experimental dos modelos matemáticos para controlar a vibração da viga flexível, e com a utilização do Observador de Estados permitiu demonstrar uma ótima estimativa das variáveis de estado, além de eliminar a utilização do tacômetro e do strain gage. / The study of vibration control techniques has great importance in several areas of Engineering, such as Aerospace, Automotive, Mechanics, Robotics, etc. One of the main problems observed in these systems refers to the mechanical oscillations originating from the movements, causing the vibrations in the flexible structures. Space vehicle control systems, artificial satellites, robotic manipulators, rotary cranes, clamped beams, among others, even if considered rigid, exhibit non-linear behavior. Analyzing these exposed situations aims, within the several areas, to provide greater margin of safety and stability of the equipment, the load and the users. Given this context, this work aims to develop mathematical models for rotational systems in flexible structures and to apply a State Observer to estimate the state variables, which allows to reduce the number of sensors, and design controllers to attenuate vibrations, based on the response Experimental, in the evaluation, verification and validation of the model developed to control vibrations in flexible structures. The methodology used is based on developing mathematical models of the vibration control system for the Rotary Flexible Link system of Quanser, which consists of a flexible metal beam coupled to a servomechanism that allows rotational movement in the horizontal plane. In order to obtain the equations of motion, the Euler-Lagrange method was considered. The results were the development and experimental validation of the mathematical models to control the vibration of the flexible beam, and with the use of the State Observer, it was possible to demonstrate a good estimation of the state variables, besides eliminating the use of the tachometer and the strain gage.

Nas últimas décadas, intensas pesquisas estão sendo desenvolvidas na área de controle ativo de vibrações utilizando estruturas flexíveis e transdutores piezoelétricos distribuídos em sua superfície. Este trabalho possui como objetivo a implementação, identificação e a aplicação do controle ativo de vibrações em barras engastadas. Os transdutores piezoelétricos são fixados próximos à extremidade fixa da barra. Um sistema de aquisição de sinais e de controle é utilizado para gravar os dados experimentais e implementar os projetos dos controladores de vibrações. Para a implementação computacional foi utilizado o software Matlab operando em conjunto com uma placa dSpace DS1104. A identificação do sistema, efetuada a partir da resposta em frequência das barras, é realizada considerando apenas os três primeiros modos de vibração das barras. Um modelo teórico que representa a dinâmica do sistema é apresentado e seus parâmetros são ajustados de acordo com dados experimentais, obtidos em ensaios, com a estrutura flexível. Para o problema de rejeição a perturbações e regulação de posição, são aplicados os métodos de controle conhecidos como Positive Position Feedback (PPF) e de Alocação de Pólos. Resultados experimentais são apresentados para demonstrar a eficácia do controle ativo de vibrações, utilizando transdutores piezoelétricos. / In recent decades, intensive researches have been developed in the area of active vibration control making use of flexible structures and piezoelectric transducers distributed on its surface. This work aims to identify, implement and apply the active control of vibrations in cantilevers beams. The piezoelectric transducers are surface-bonded near the fixed end of cantilever beam. A data acquisition and control system is used to record experimental data and to implement the design of a vibration controller. The software Matlab operating in conjunction with a board dSpace DS1104 was used for the computational implementation. The identification system, made from the frequency response of the cantilevers beams, is performed by considering only the first three modes of vibration of the cantilevers beams. A theoretical model representing the system dynamics is presented and its parameters are adjusted according to experimental data, obtained in tests, with the flexible structure. As for the problem of disturbance rejection and regulation position, control methods known as Positive Position Feedback (PPF) and Pole Placement are applied. Experimental results are presented to demonstrate the effectiveness of active control of vibration using piezoelectric transducers.

Este trabalho desenvolveu uma metodologia de otimização da localização de material piezelétrico para avaliar vibrações estruturais. O principal objetivo foi estabelecer um procedimento para a determinação concomitante da localização mais adequada para atuadores e sensores piezelétricos através de uma formulação de um problema de otimização topológica. De acordo com a metodologia proposta, a localização desses atuadores e sensores é determinada através da maximização da controlabilidade e da observabilidade, ambas medidas por intermédio do seu gramiano, definindo onde o material deve ter propriedades piezelétricas. Os resultados do processo de otimização foram avaliados em malha fechada através do uso de dois controladores ótimos (LQR e LQG), utilizados em simulações para atenuar as oscilações estruturais resultantes da aplicação de perturbações externas. O desenvolvimento dos algoritmos de controle foi realizado com a utilização de um modelo modal truncado em seus primeiros modos de vibração. Os resultados mostram a eficácia do processo de otimização topológica quanto à localização de atuadores e sensores na estrutura. Além disso, verificou-se que a localização do material piezelétrico melhora o amortecimento estrutural, sendo importante para o desempenho das técnicas de controle utilizadas. / This work proposes a topology optimization methodology for the location of piezoelectric actuator/sensors for active vibration control. The main objective is to develop a procedure to determine the most suitable location for piezoelectric sensors and actuators using a topology optimization formulation. According to the proposed method, the location of these actuators and sensors is determined the maximization of the controllability and observability, both measured by the gramian matrix, defining where the material should have piezoelectric properties. The results of the optimization process are evaluated in closed loop by using two (LQR and LQG) active controllers, which are used in simulations to attenuate structural oscillations resulting from the application of external disturbances. The development of control algorithms was performed with the use of a modal model truncated to lowest modes. Results show the effectiveness of the topology optimization process as the location of actuators and sensors in the structure. Furthermore, it was found that location of the piezoelectric material improves the structural damping, which is important for the performance of control techniques.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.

Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma metodologia de projeto ótimo de estruturas ativamente controladas (inteligentes), com o objetivo de suprimir as vibrações induzidas por perturbações externas. O projeto é realizado simultaneamente para a topologia estrutural e a localização de atuadores. O problema de otimização topológica é formulado para três fases materiais (dois materiais sólidos e vazio),com dois grupos de variáveis de projeto. Um material não piezelétrico elástico isotrópico forma a parte puramente estrutural, enquanto um material piezelétrico compõe a parte ativa. Uma vez que não há método eficiente para tratar as variáveis de projeto estruturais e de controle em um mesmo ambiente de otimização, este trabalho propõe uma abordagem de solução aninhada. Nesta solução, o posicionamento dos atuadores e a síntese do sistema controlador são considerados em um laco de projeto paralelo ao processo de otimização que lida com a topologia estrutural. O laço de otimização principal está relacionado `as variáveis de projeto estruturais, ou seja, ´e calculado onde deve haver material sólido e onde deve haver espaços vazios, através de um problema de minimização de flexibilidade. A localização de atuadores ´e determinada por uma otimização baseada em uma lei de controle que define onde o material deve ter propriedades piezelétricas, através da maximização de uma medida de controlabilidade. Os exemplos numéricos mostram que a abordagem utilizada neste trabalho pode produzir uma topologia estrutural bem definida com uma boa colocação para os atuadores. Além disso, as topologias ótimas encontradas são capazes de melhorar o amortecimento ativo da estrutura. / This work develops an optimal design methodology for actively controlled structures, aiming to suppress vibrations induced by external disturbances. Design is conducted simultaneously for the structural topology and actuator placement. A topology optimization problem is formulated for three material phases (two solid materials and void) with two design variables groups. A non-piezoelectric elastic isotropic material forms the structural only part of the design, while a piezoelectric material composes the active part. Since there is no efficient method to treat structural and control design variables in the same optimization framework, this work proposes a nested solution approach, where the actuator locations and controller syntheses are regarded as a parallel design to the main optimization process dealing with the structural topology. The main optimization loop designs the structural variables, i.e., it is decided where there should be solid material and where there should be voids, through a minimum compliance design problem. The actuators are placed by considering a control law optimization that defines where the material should have piezoelectric properties, through the maximization of a measure of controllability. Numerical examples show that the approach used in this paper can produce a clear structural topology with a good actuator placement. Besides, the optimal topologies can improve the active damping.