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Previous issue date: 2011-02-02 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Com o desenvolvimento de novas tecnologias nas áreas de materiais, equipamentos
eletrônicos e computação, a concepção de projetos estruturais vem sendo alterada.
Estruturas cada vez mais leves e esbeltas vêm sendo construídas, o que, em alguns casos,
tem levado a problemas de vibrações excessivas. Como forma de solucionar tais problemas
pode-se empregar técnicas de controle ativo.
O controle ativo estrutural consiste basicamente em impor forças de controle à
estrutura visando a redução das amplitudes de vibração. Normalmente utiliza-se
atuadores como macacos hidráulicos para a imposição das forças de controle.
Uma das ferramentas mais importantes usadas na concepção de um sistema de controle
ativo são os algoritmos numéricos usados no cálculo das forças de controle. Em geral estes
algoritmos são baseados na resposta monitorada da estrutura e a eficácia do sistema de
controle está diretamente ligada à qualidade dos algoritmos empregados.
Dentre os algoritmos usados no controle ativo estão aqueles decorrentes do controle
ótimo, definido por um regulador quadrático para sistemas de comportamento linear.
Nesse caso, para o cálculo das forças de controle é necessária a determinação da matriz
de Riccati, obtida através de métodos tais como: o algoritmo de Potter, o método da
retro-integração temporal, o algoritmo LQR e o algoritmo baseado no método de Newton-
Raphson, proposto nesta dissertação de mestrado.
Um dos grandes obstáculos para a aplicação do controle ótimo em estruturas reais é
que, em geral, os algoritmos de controle demandam o monitoramento de todos os graus de
liberade (GLs) da estrutura. Alternativamente, pode-se utilizar métodos para a estimativa
das respostas dinâmicas dos GLs não monitorados tais como os algoritmos denominados
observadores apresentados neste trabalho.
Finalmente pode-se afirmar que os ruídos inerentes aos sinais dos GLs monitorados
podem prejudicar a qualidade do controle ativo. Desta forma faz-se também neste trabalho
a avaliação da aplicação do filtro Kalman-Bucy visando a redução das perturbações
geradas pelos ruídos em sistemas de controle ativo.
Em suma, faz-se nesse trabalho uma avaliação de algoritmos numéricos aplicados ao
controle ativo de vibrações mecânicas onde três aspectos inerentes aos algoritmos de
controle são abordados: 1) exatidão no cálculo da matriz de Riccati; 2) eficiência do
uso de algoritmos com a metodologia dos observadores de estado para estimativa de
GLs não monitorados; 3) eficiência do uso do filtro de Kalman-Bucy para a redução de
perturbações do sistema de controle geradas por ruídos.
Os resultados obtidos mostram que o uso do algoritmo de Newton-Raphson, proposto
neste trabalho, apresenta valores mais precisos para a determinação da Matriz de Riccati,
levando a maiores reduções de vibrações com maiores magnitudes de forças de controle.
Nota-se também que a técnica dos observadores de estado e do filtro de Kalman-Bucy se
mostram eficientes nos sistemas de controle analisados. / With the development of new technologies in materials, electronics and computing, the
conception of structural projects has been changed. Structures are getting lighter and
slender, which in some cases, leads to vibration problems. Those problems can be solved
with techniques of active control.
The structural active control consists basically on imposing control forces on a
structure aiming to reduce the amplitude of vibration. Usually hydraulic actuators are
used for the imposition of control forces.
One of the most important tool used in an active control system conception are
numerical algorithms employed in the calculation of controlling forces. In general these
algorithms are based on the response sensors of the structure and the efficiency of the
control system is directly related to the quality of the employed algorithms.
Among the algorithms used in active control are those arising from optimal control,
wich are defined by a quadratic regulator for linear system. In this case, for the
calculation of controlling forces is necessary to determine Riccati matrix, which may
be obtained by means of Potter’s algorithm, the method of backward integration in time,
the LQR algorithm and the algorithm based on Newton-Raphson method, proposed in
this dissertation.
One of the greatest obstacles for the application of optimal control in real structures
is the need for control algorithms, in general, to request a monitoring of all degrees of
freedom (DFs) of the structure. Alternatively, one way use methods for estimating the
dynamic response of non-sensored DFs. This work presents the analysis of algorithms
called state observers used in active control of structures. Finally it can be affirmed that
the noise inherent to the DFs signs monitored may harm the quality of the active control.
Thus it is also evaluated the implementation of Kalman-Bucy filter in order to reduce the
disturbances generated by the noise in control system with state observers.
In short, this work is an evaluation of numerical algorithms applied to active control of
vibration and the aspects related to control algorithm are: 1) accuracy in the calculation
of the Riccati matrix; 2) efficiency in the use of algorithms with the methodology of state
observers to estimate unmonitored DFs, 3) influence of noise on the efficiency of active
control of structures with state observers.
The presented results support the conclusion that the proposed Newton-Raphson
algorithm provides more precise values for the Riccati Matrix determination, leading to
a better performance of control system. It was also noticed that the techniques of state
observers and Kalman-Bucy filter had also good performance for the studied models.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:hermes.cpd.ufjf.br:ufjf/3534 |
| Date | 02 February 2011 |
| Creators | Castro, Eduardo da Silva |
| Contributors | Barbosa, Flávio de Souza, Gomes, Francisco José, Hallak, Patricia Habib, Pimentel, Roberto Leal |
| Publisher | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional, UFJF, Brasil, ICE – Instituto de Ciências Exatas |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFJF, instname:Universidade Federal de Juiz de Fora, instacron:UFJF |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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