Detecção de danos em sistemas mecânicos via observadores de estado de ordem plena em paralelo

Abstract

As metodologias de monitoramento da integridade estrutural baseadas em observadores de estado, em sua grande maioria, utilizam o resíduo obtido a partir da diferença entre a medida e a estimativa de dada resposta dinâmica do sistema para o processo de detecção de danos. Contudo, em determinadas situações, tem-se interesse em realizar o monitoramento através de certa resposta dinâmica que não pode ser medida diretamente. Desta forma, a principal contribuição deste trabalho é propor uma metodologia de detecção de danos para sistemas mecânicos, cujo resíduo é obtido a partir da diferença entre as estimativas do comportamento dinâmico de determinada região do sistema. Estas estimativas são geradas por dois observadores de estado de ordem plena em paralelo, ambos projetados a partir do modelo físico-matemático do sistema em monitoramento sem danos, cujos os ganhos ótimos são determinados pelo método LQR, do inglês Linear Quadratic Regulator. A diferença entre os observadores consiste em serem baseados em conjuntos de medidas distintos. Simulações computacionais são apresentadas para demonstrar a aplicação desta metodologia, de maneira que são discutidas as vantagens e desvantagens em monitorar o sistema utilizando diferentes tipos de força de excitação. Os resultados obtidos são satisfatórios para a detecção dos tipos de dano considerados neste trabalho.

Structural health monitoring methodologies based on state observers, for the most part, use the residual obtained from the di erence between the measurement and the estimate of the given dynamic response of the system to the damage detection process. However, in certain situations, it is interesting to carry out the monitoring through a certain dynamic response that can not be measured directly. In this way, the main contribution of this work is to propose a methodology of damage detection for mechanical systems, whose residue is obtained from the di erence between the estimates of the dynamic behavior of a certain region of the system. These estimates are generated by two parallel full-order state observers, both designed from the physical-mathematical model of the monitoring system without damages, whose optimal gains are determined by the LQR (Linear Quadratic Regulator) method. The di erence between observers is that they are based on di erent sets of measures. Computational simulations are presented to demonstrate the application of this methodology, so that the advantages and disadvantages of monitoring the system using di erent types of excitation force are discussed. The results obtained are satisfactory for the detection of the types of damage considered in this work.