Tese de mestrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Universidade de Bristol. 2005

Os avanços da indústria aeronáutica têm sido garantidos pelo emprego de tecnologias inovadoras. Para controle aeroelástico o conceito de estrutura inteligente tem ganho cada vez mais espaço. Uma estrutura inteligente é um sistema de controle estrutural onde elementos estruturais, sensores, atuadores, leis de controle, eletrônica associada e processamento de sinais estão altamente integradas garantindo aumento de desempenho. Os desenvolvimentos nesta área têm sido muito animadores e envolve uma série de disciplinas. Nesse contexto, o presente trabalho tem como meta estudar uma estrutura inteligente onde a lei de controle é representada através da lógica difusa. Esse método não convencional de controle tem proporcionado avanços no trato de sistemas complexos, não lineares e com parâmetros imprecisos e ambíguos. Um modelo em elementos finitos de uma viga inteligente com atuadores piezelétricos incorporados é desenvolvido. O modelo baseia-se nas hipóteses de viga Euler-Bernoulli e no princípio variacional eletromecânico. O modelo em elementos finitos é validado para garantir o uso no projeto do controlador não convencional. Estratégias de controle não convencional baseadas em dois tipos de metodologia difusa para controle, isto é, modelo de Mamdani e de Takagi-Sugeno-Kang, são estudas. O controlador difuso é aplicado para reduzir a resposta vibratória da viga inteligente quando submetida a distúrbios mecânicos externos. Um estudo comparativo das duas metodologias de controlador difuso é realizado e discutido. Os resultados satisfatórios alcançados mostram que o uso de controladores difusos para alívio de vibrações em vigas com atuadores piezelétricos é apropriado. Também se observou que o modelo Takagi-Sugeno-Kang é o que mais se ajustou as necessidades e requerimentos do problema. / The advances in aeronautical industry have been ensured by the application of novel technologies. For aeroelastic control the intelligent structure concept has become increasingly important. An intelligent structure is a structural control system in which structural elements, sensors, actuators, control laws, associated electronics, and signal processing are highly integrated providing better performance. The developments in this area have been encouraging and multi-disciplinar. In this context, this work aims studying control laws for intelligent structures represented through the fuzzy logic. This non-conventional method for control has provided advances in treating complex, non-linear, imprecise, and ambiguous systems.A finite element model of an intelligent beam with piezoelectric actuators is developed. The model is based in the assumptions of an Euler-Bernoulli beam and the electromechanic variational principle. The finite element model is validated to ensure its use in non-conventional control design. Non-conventional control strategies based on the two fuzzy control methodologies, that are, the Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang models, are investigated. The fuzzy control is applied to reduce the vibratory response of the intelligent beam due to external mechanical disturbances. A comparison between the two fuzzy control methodologies is shown and discussed. The satisfactory results achieved by this work have shown that the application of fuzzy control for the alleviation of vibrations in beams with piezoelectric actuators is appropriate. It is also observed that the Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model has presented a better performance when compared with the Mamdani one.

Piezoelectric shunt damping is a well-known technique to damp mechanical vibrations of a structure. This technique consists in using a piezoelectric transducer to convert mechanical vibration energy into electrical energy, which is partially dissipated in an electrical circuit. Among the circuits proposed over the last decades for the efficient conversion of mechanical vibration energy into electric energy, the resonant circuit was the first one that achieved satisfactory results. Resonant shunts consist of a resistor (R) and a inductor (L) connected in series with a piezoelectric transducer, which already contains an intrinsic capacitance. The resonance frequency of this circuit is tuned to the vibration natural frequency of the mechanical structure, which results on the maximum energy conversion and maximum vibration damping. Unfortunately, this technique presents limitations in real aplications, because small variations in the structure, circuit components, and operational conditions can decouple the electrical and mechanical natural frequencies and radically reduce the performance. In order to damp mechanical vibrations in lightweight structures subject to variabilities, a new piezoelectric shunt damping technique with improved performance and robustness is presented in this work. This thesis describes an adaptive resonant piezoelectric vibration absorber enhanced by a synthetic negative capacitance. The resonant shunt circuit autonomously adapts its inductance value (L) by comparing the phase difference of the vibration velocity and the current flowing through the shunt circuit. Moreover, a synthetic negative capacitance is added to the shunt circuit to enhance the electromechanical coupling in the energy conversion and, as a consequence, improve the vibration damping. Validation of the proposed method is done by bonding the piezoelectric absorber on a metallic shell to attenuate vibrations. The circuitry is implemented using analog components.

As estruturas aeronáuticas estão sujeitas a diversas solicitações, devido principalmente às interações com o escoamento aerodinâmico, que podem causar distúrbios e vibrações, comprometendo seu desempenho. Diversas pesquisas vêm sendo realizadas para solucionar estes problemas. Dentre elas está o uso de atuadores e sensores piezelétricos integrados na estrutura, que juntamente com um sistema de controle passa a ser denominada estrutura inteligente, a qual promove o controle ativo de vibrações garantindo um aumento no desempenho. O objetivo deste trabalho é obter parâmetros ótimos de um controlador não convencional baseado na lógica difusa para controle de vibrações em uma viga com atuadores e sensores piezelétricos. A viga e elementos piezelétricos são modelados pelo método de elementos finitos utilizando o princípio variacional eletromecânico. O sistema de controle difuso, o qual está se tornando amplamente utilizado principalmente devido à sua capacidade de representar sistemas não lineares e complexos, é baseado nos modelos difusos de Mamdani e Takagi-Sugeno-Kang. A otimização é feita através de algoritmo genético que é um processo de procura probabilística baseado nas leis de seleção natural influenciadas pelas teorias de Charles Darwin. São otimizados os valores dos ganhos de controle, bem como os suportes dos conjuntos difusos da base de conhecimento. São feitas comparações com o controlador difuso obtido por processo de ajuste manual. / Aeronautical structures are subject to a variety of loads, due mainly to the iteration with the aerodynamic flow that can present disturbances, compromising their performance. Various researches have been carried out to solve these problems. Among them, the use of piezoelectric actuators and sensors integrated to the structure, jointly with a control system, the so-called smart structure technology, has been seen with good potentiaI. A smart structure promotes active vibration control, guaranteeing a performance increase. The objective of this work is to obtain optimal control parameters of a non-conventional vibration controller based on the fuzzy logic. A smart beam with piezoelectric actuators and sensors, that has been modeled by the finite element method, has been used to controI. The fuzzy control, which is becoming broadly utilized, mainly due to its capacity to represent complex and non-linear systems, is based in Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang fuzzy models. The optimization scheme is based on genetic algorithms, a methodology inspired on the natural selection laws influenced by the Darwin\'s theories. Gains values and membership functions are optimized. Comparisons with the fuzzy controller achieved by trial and error parameters tuning are presented.

As estruturas aeronáuticas estão sujeitas a diversas solicitações, devido principalmente às interações com o escoamento aerodinâmico, que podem causar distúrbios e vibrações, comprometendo seu desempenho. Diversas pesquisas vêm sendo realizadas para solucionar estes problemas. Dentre elas está o uso de atuadores e sensores piezelétricos integrados na estrutura, que juntamente com um sistema de controle passa a ser denominada estrutura inteligente, a qual promove o controle ativo de vibrações garantindo um aumento no desempenho. O objetivo deste trabalho é obter parâmetros ótimos de um controlador não convencional baseado na lógica difusa para controle de vibrações em uma viga com atuadores e sensores piezelétricos. A viga e elementos piezelétricos são modelados pelo método de elementos finitos utilizando o princípio variacional eletromecânico. O sistema de controle difuso, o qual está se tornando amplamente utilizado principalmente devido à sua capacidade de representar sistemas não lineares e complexos, é baseado nos modelos difusos de Mamdani e Takagi-Sugeno-Kang. A otimização é feita através de algoritmo genético que é um processo de procura probabilística baseado nas leis de seleção natural influenciadas pelas teorias de Charles Darwin. São otimizados os valores dos ganhos de controle, bem como os suportes dos conjuntos difusos da base de conhecimento. São feitas comparações com o controlador difuso obtido por processo de ajuste manual. / Aeronautical structures are subject to a variety of loads, due mainly to the iteration with the aerodynamic flow that can present disturbances, compromising their performance. Various researches have been carried out to solve these problems. Among them, the use of piezoelectric actuators and sensors integrated to the structure, jointly with a control system, the so-called smart structure technology, has been seen with good potentiaI. A smart structure promotes active vibration control, guaranteeing a performance increase. The objective of this work is to obtain optimal control parameters of a non-conventional vibration controller based on the fuzzy logic. A smart beam with piezoelectric actuators and sensors, that has been modeled by the finite element method, has been used to controI. The fuzzy control, which is becoming broadly utilized, mainly due to its capacity to represent complex and non-linear systems, is based in Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang fuzzy models. The optimization scheme is based on genetic algorithms, a methodology inspired on the natural selection laws influenced by the Darwin\'s theories. Gains values and membership functions are optimized. Comparisons with the fuzzy controller achieved by trial and error parameters tuning are presented.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de doutoramento. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2004-06-04Bitstream added on 2014-06-13T20:16:18Z : No. of bitstreams: 1 rocha_tl_me_ilha.pdf: 1701162 bytes, checksum: cb47a7fa8d8db257b14c82ef2e7f9bfd (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Técnicas de atenuação de vibração estrutural tem atraído a atenção de engenheiros desde que as máquinas com partes móveis foram inventadas. Direcionadas pela necessidade de se diminuir peso e reduzir ruídos, as técnicas de controle ativo de vibração estrutural e acústica têm sofrido rápidas mudanças nas últimas duas décadas. Entre os materiais mais empregados nesta nova tecnologia estão os materiais que exibem propriedades piezelétricas como as cerâmicas PZT (Titanato Zirconato de Chumbo) e os filmes plásticos PVDF (Fluoreto de Vinilideno). Esses materiais apresentam uma reciprocidade entre energia mecânica e elétrica que lhes propicia grande aplicabilidade como sensores e atuadores para uma vasta gama de aplicações. No entanto, para se conseguir bons resultados em aplicações baseadas em modelos matemáticos é necessário a obtenção de modelos que permitam analisar o comportamento dinâmico das estruturas com materiais piezelétricos incorporados. Neste trabalho um programa é implementado em ambiente MATLAB® para modelagem, através do Método dos Elementos Finitos, de estruturas dos tipos vigas e placas com materiais piezelétricos incorporados. Os resultados do programa são comparados com os resultados fornecidos pelo software ANSYS® e com resultados experimentais. Paralelamente, são verificados resultados de técnicas de posicionamento ótimo de sensores e atuadores e aplicações de controle. As técnicas de posicionamento ótimo e controle não são apresentadas em detalhes neste trabalho, que tem por objetivo principal a modelagem e o estudo da influência da cerâmica piezelétrica sobre a estrutura. Estas técnicas são utilizadas para que se possa avaliar quantitativamente o efeito do acoplamento eletromecânico nas propriedades dinâmicas das estruturas. / Attenuation techniques of structural vibration have been attracting the engineers' attention since the machines with movable parts were invented. Motivated by the need of to reduce weight and noises, techniques of active control to attenuate structural and acoustic vibration have been suffering fast changes in the last two decades. Among those materials employed in this new technology are materials that exhibit piezoelectric properties, as the PZT ceramic (Lead Zirconate Titanate) and the PVDF plastic films (PolyVinyliDene Fluoride). These materials present reciprocity between mechanical and electric energy that enable them to be used as sensors and actuators. However, to get good results in applications that are based in mathematical model is necessary to consider the electromechanical coupling between the piezoelectric material and the host structure. In this work a program is implemented in MATLAB® code for modeling, using Finite Element Method, beam and plate structures with piezoelectric materials bonded in the host structure. Results of the program are compared with results supplied by ANSYS® software and with experimental data. In addition, techniques of optimal placement of sensor/actuators and control applications are implemented. The optimal placement and control approaches are not described in details in this work, since the main objective is to verify the piezoceramic influence on the dynamic properties of the structure. These techniques are used to evaluate the electromechanical coupling effect in the dynamic properties of the structures.

Os avanços da indústria aeronáutica têm sido garantidos pelo emprego de tecnologias inovadoras. Para controle aeroelástico o conceito de estrutura inteligente tem ganho cada vez mais espaço. Uma estrutura inteligente é um sistema de controle estrutural onde elementos estruturais, sensores, atuadores, leis de controle, eletrônica associada e processamento de sinais estão altamente integradas garantindo aumento de desempenho. Os desenvolvimentos nesta área têm sido muito animadores e envolve uma série de disciplinas. Nesse contexto, o presente trabalho tem como meta estudar uma estrutura inteligente onde a lei de controle é representada através da lógica difusa. Esse método não convencional de controle tem proporcionado avanços no trato de sistemas complexos, não lineares e com parâmetros imprecisos e ambíguos. Um modelo em elementos finitos de uma viga inteligente com atuadores piezelétricos incorporados é desenvolvido. O modelo baseia-se nas hipóteses de viga Euler-Bernoulli e no princípio variacional eletromecânico. O modelo em elementos finitos é validado para garantir o uso no projeto do controlador não convencional. Estratégias de controle não convencional baseadas em dois tipos de metodologia difusa para controle, isto é, modelo de Mamdani e de Takagi-Sugeno-Kang, são estudas. O controlador difuso é aplicado para reduzir a resposta vibratória da viga inteligente quando submetida a distúrbios mecânicos externos. Um estudo comparativo das duas metodologias de controlador difuso é realizado e discutido. Os resultados satisfatórios alcançados mostram que o uso de controladores difusos para alívio de vibrações em vigas com atuadores piezelétricos é apropriado. Também se observou que o modelo Takagi-Sugeno-Kang é o que mais se ajustou as necessidades e requerimentos do problema. / The advances in aeronautical industry have been ensured by the application of novel technologies. For aeroelastic control the intelligent structure concept has become increasingly important. An intelligent structure is a structural control system in which structural elements, sensors, actuators, control laws, associated electronics, and signal processing are highly integrated providing better performance. The developments in this area have been encouraging and multi-disciplinar. In this context, this work aims studying control laws for intelligent structures represented through the fuzzy logic. This non-conventional method for control has provided advances in treating complex, non-linear, imprecise, and ambiguous systems.A finite element model of an intelligent beam with piezoelectric actuators is developed. The model is based in the assumptions of an Euler-Bernoulli beam and the electromechanic variational principle. The finite element model is validated to ensure its use in non-conventional control design. Non-conventional control strategies based on the two fuzzy control methodologies, that are, the Mamdani and Takagi-Sugeno-Kang models, are investigated. The fuzzy control is applied to reduce the vibratory response of the intelligent beam due to external mechanical disturbances. A comparison between the two fuzzy control methodologies is shown and discussed. The satisfactory results achieved by this work have shown that the application of fuzzy control for the alleviation of vibrations in beams with piezoelectric actuators is appropriate. It is also observed that the Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model has presented a better performance when compared with the Mamdani one.

Made available in DSpace on 2017-07-10T17:11:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 dissert Final Marcel Araujo.pdf: 10392408 bytes, checksum: 3344b21a2f98d64347dd0aea895a4444 (MD5) Previous issue date: 2013-03-01 / The use of piezoelectric devices to harvest vibration energy has found applications in several areas, especially in structural health monitoring, either to recharge batteries or to directly feed sensors and also electronic devices. In general, the practical use of the energy converted by these devices requires, first, converting the alternating current (AC) produced to direct current (DC). This is normally done by using rectifier circuits. However, modeling the harvesting system, usually a PZT sensor bonded on a cantilever micro-beam and coupled to a rectifier circuit, using the same software package is pointed out by some authors as a drawback to overcome, due to its multidisciplinary requirements, involving topics of both mechanical and electrical engineering. In this sense, the main goal of this dissertation is to describe a comprehensive and simple modeling strategy, which considers a single computational platform and, simultaneously, account for both the electromechanical model of a clamped piezoelectric beam and the practical energy harvesting circuit, seeking ways to facilitate the analysis and design of energy harvesting systems. Numerical simulations and experimental tests are performed to illustrate the proposed approach, considering a full-wave diode bridge as the non-controlled rectifier circuit and a resistive load, which are directly connected to the cantilevered piezoelectric beam. Additionally, experimental tests carried out with a commercial harvesting system are presented, aiming to characterize and compare its performance with a full-wave diode bridge and a resistive circuit, both developed by the author. A single degree of freedom model of this system is also presented. The results showed that the model is suitable to perform simulations of systemshaving the characteristics described in this dissertation and confirmed the need of using active circuits to better use the produced energy. / A utilização de dispositivos piezelétricos para reaproveitamento de energia vibratória tem en- contrado aplicações em várias áreas, sobretudo em monitoramento de integridade estrutural, seja para recarregar baterias ou alimentar diretamente sensores e outros dispositivos eletrôni- cos. Em geral, o uso prático da energia convertida por estes transdutores requer, primeiramente, a transformação da corrente alternada (CA) produzida em corrente contínua (CC). Isto é fre- quentemente obtido por meio da utilização de circuitos retificadores. Entretanto, utilizar o mesmo pacote de software para modelar sistemas de energy harvesting, geralmente compostos por um sensor piezelétrico acoplado em uma microviga e conectados a um circuito retificador, é apontado por alguns autores como um grande desafio a ser superado, pois necessita de requisi- tos multidisciplinares que incluem tópicos de engenharia elétrica e mecânica. Neste sentido, o principal objetivo deste trabalho é apresentar uma estratégia de modelagem simples, que utilize apenas uma plataforma computacional e considere, simultaneamente, os modelos de uma viga piezelétrica e um circuito prático de extração/armazenamento de energia, buscando meios de facilitar a análise e o projeto de sistemas de energy harvesting. Simulações numéricas e testes experimentais são realizados para ilustrar a abordagem proposta, considerando um circuito retificador de onda completa e uma carga resistiva conectados diretamente a uma viga piezelétrica sob condição engastada-livre. Além disso, são apresentados testes experimentais realizados com um sistema comercial de energy harvesting visando caracterizar e comparar seu desempenho frente aos circuitos retificadores de onda completa e resistivo, ambos confeccionados pelo autor. Um modelo de um grau de liberdade deste sistema também é apresentado. Os resultados mostraram que o modelo é adequado para realizar simulações de sistemas que possuam as características descritas neste trabalho e comprovaram a necessidade de se utilizar um circuito ativo para se ter um melhor reaproveitamento da energia gerada.