Estudo de algoritmos de controle semi-ativo aplicados a amortecedores magnetorreológicos

Abstract

A proteção de estruturas civis, incluindo seu conteúdo e ocupantes é, sem duvida nenhuma, uma preocupação a nível mundial. É por isso que um dos interesses principais da engenharia civil moderna centra-se no estudo de vibrações excessivas, indesejáveis não só desde o ponto de vista da segurança, mas também de comodidade. Uma alternativa para este problema é o controle estrutural, metodologia que procura reduzir a demanda de dissipação de energia nos membros estruturais sob a ação de forças dinâmicas mediante a alteração das propriedades mecânicas da estrutura. Um dos sistemas mais prometedores no campo do controle estrutural é o amortecedor magnetorreológico, dispositivo semi-ativo composto por um cilindro hidráulico, bobinas magnéticas e um fluido estimulável, denominado fluido magnetorreológico, cuja principal particularidade é sua habilidade para mudar, de maneira reversível e quando exposto a um campo magnético, de um estado liquido para um estado semi-sólido, em milissegundos. Estas peculiaridades fazem dos amortecedores MR uma ferramenta ideal para o controle de sistemas estruturais, pois com eles é possível administrar forças de amortecimento de forma rápida e segura a um custo relativamente baixo. No presente trabalho se estuda o desempenho de três diferentes projetos de controle que exerçam a função de administrar o sinal de comando de um par de amortecedores magnetorreológicos, com a finalidade de aplicar forças de controle que reduzam a resposta estrutural de um sistema aporticado, composto por dois andares, quando submetido à ação de excitações externas. Os algoritmos propostos para análise são o regulador linear quadrático (LQR) associado ao algoritmo clipped optimal, um algoritmo baseado em redes neurais artificiais do tipo NARX e finalmente um algoritmo de tomada de decisões baseado em lógica difusa. As três estratégias de controle desenvolvidas indicaram serem ferramentas eficientes, robustas e confiáveis para ser utilizadas como administradoras de amortecedores magnetorreológicos. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The protection of civil structures, including its contents and occupants are, without any doubt, a concern worldwide. This is the reason why one of the major concerns of modern civil engineering is focused on the study of excessive vibration, not only undesirable from the standpoint of security, but also convenience. An alternative to this problem is the structural control, which is a methodology that seeks to reduce demand for energy dissipation in structural members under the action of dynamic forces by changing the mechanical properties of the structure. One of the most promising device in the field of structural control is the magnetorheological damper, semi-active device compound by a hydraulic cylinder, magnetic coils and a stimulable fluid, called magnetorheological fluid, whose main feature is its ability to change, in a reversible way, from a linear viscous liquid state to a semi-solid in milliseconds when exposed to a magnetic field. These peculiarities make the MR dampers an ideal tool for the control of structural systems, because with them you can manage damping forces quickly and safely to a relatively low cost. This work studies the performance of three different control algorithms. Such algorithms perform the function of managing the command signal to a pair of magnetorheological dampers, to apply control forces to reduce the structural response of a framed system. The system is made of two stories, and it is subjected to the action of external dynamic excitation. The control algorithms under analyses are the linear quadratic regulator (LQR) associated with the clipped optimal algorithm, a NARX type algorithm based on artificial neural network composed of a prediction model and an inverse model. Finally, an algorithm of decision making based on fuzzy logic is also analyzed. The three control strategies developed indicated that they were efficient, robust and reliable to be used as administrators of magnetorheological dampers.