Estudo de modelos espectrais de vigas para controle ativo de vibrações e monitoramento da integridade estrutural
Carregando...
Data
2016-12-20
Autores
Conceição, Sanderson Manoel da
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
A ideia central deste trabalho é utilizar o método dos Elementos Espectrais (SEM, do inglês Spectral Element Method) para aplicações de controle ativo de vibrações e monitoramento da integridade estrutural (SHM, do inglês Structural Health Monitoring). Diversos trabalhos têm abordado estes tópicos de forma independente. No entanto, para aplicações reais de engenharia, utilizar os mesmos atuadores, sensores e sistemas de aquisição de dados para controle e monitoramento pode reduzir investimentos e simplificar processos. Por esta motivação, este trabalho apresenta um estudo de modelos espectrais para estruturas do tipo viga considerando aplicações de controle de vibrações e monitoramento da integridade estrutural. Na modelagem são considerados os modelos de vigas de Euler-Bernoulli e Timoshenko, além de transdutores piezelétricos acoplados. A técnica de controle clássico PID (Proporcional, Integral, Derivativo) é explorada e uma nova modelagem é proposta para se considerar técnicas modernas de controle por realimentação de estados na formulação espectral. Em particular, discute-se o controlador LQR (do inglês, Linear Quadratic Regulator), no entanto, a metodologia permite se considerar outras técnicas de controle por realimentação baseada na representação no espaço de estados. Também, especificamente para monitoramento estrutural, no presente trabalho de tese apresenta-se uma discussão sobre índices de detecção de danos. Índices de detecção calculados a partir de sinais experimentais têm sido amplamente utilizados em trabalhos da literatura de SHM. No entanto, pouco tem sido esclarecido sobre seus comportamentos em função das características estruturais e dos danos. Neste sentido, o presente trabalho apresenta uma discussão do comportamento de índices baseados na norma H2, norma H∞ e no CCDM (Correlation coefficient deviation metric), para duas faixas de frequência, em função da severidade do dano e quantidade de amortecimento no sistema. Os resultados obtidos indicam que a formulação por Elementos Espectrais é adequada para viabilizar os projetos simultâneos de um controlador de vibrações e um sistema de monitoramento estrutural utilizando os mesmos equipamentos e simplificando análises ao se utilizar um único modelo dinâmico do sistema.
The main idea of this thesis is to use the Spectral Element Method (SEM), in applications of Active Vibration Control (AVC) and Structural Health Monitoring (SHM). These two topics have been approached in several works, but in an independent way. However, for real engineering applications, to use the same actuators, sensors and data acquisition systems to active control and structural monitoring can reduce the costs and simplify processes. For this reason, this thesis presents a study of spectral models for beam-like structures considering applications of vibration control and structural health monitoring. The Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are used in the spectral modelling and the piezelectric transducers bonded in the structures are also considered. A classical control technique, PID (Proportional, Integral, Derivative) is explored and a new modelling approach to consider modern control methods of state feedback is proposed in spectral formulation. In particular, the Linear Quadratic Regulator (LQR) is discussed, however, this methodology allows for any other state feedback control techniques based in state space representation. Also, specifically for structural monitoring, is presented a discussion about damage detection indices. Detection indices computed from experimental data have been widely used in SHM studies. However, little has been clarified about their behaviours due to structural characteristics and damages. In this context, this work presents a discussion of the behaviour of indices based in the H2 norm, H∞ norm and CCDM (Correlation coefficient deviation metric), for two frequency ranges, depending on the severity of damage and amount of damping in the system. The obtained results indicate that the spectral element formulation is suited to enable the simultaneous design of a vibration controller and a structural monitoring system using the same data acquisition systems and simplifying analysis when using just one dynamic model of the system.
The main idea of this thesis is to use the Spectral Element Method (SEM), in applications of Active Vibration Control (AVC) and Structural Health Monitoring (SHM). These two topics have been approached in several works, but in an independent way. However, for real engineering applications, to use the same actuators, sensors and data acquisition systems to active control and structural monitoring can reduce the costs and simplify processes. For this reason, this thesis presents a study of spectral models for beam-like structures considering applications of vibration control and structural health monitoring. The Euler-Bernoulli and Timoshenko beam theories are used in the spectral modelling and the piezelectric transducers bonded in the structures are also considered. A classical control technique, PID (Proportional, Integral, Derivative) is explored and a new modelling approach to consider modern control methods of state feedback is proposed in spectral formulation. In particular, the Linear Quadratic Regulator (LQR) is discussed, however, this methodology allows for any other state feedback control techniques based in state space representation. Also, specifically for structural monitoring, is presented a discussion about damage detection indices. Detection indices computed from experimental data have been widely used in SHM studies. However, little has been clarified about their behaviours due to structural characteristics and damages. In this context, this work presents a discussion of the behaviour of indices based in the H2 norm, H∞ norm and CCDM (Correlation coefficient deviation metric), for two frequency ranges, depending on the severity of damage and amount of damping in the system. The obtained results indicate that the spectral element formulation is suited to enable the simultaneous design of a vibration controller and a structural monitoring system using the same data acquisition systems and simplifying analysis when using just one dynamic model of the system.
Descrição
Palavras-chave
Método dos elementos espectrais, Controle de vibrações, Monitoramento da integridade estrutural, Impedância eletromecânica, Modelagem matemática, Spectral element method, Vibration control, Structural health monitoring, Electromechanical impedance technique, Mathematical modelling