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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-16072021-110003
Documento
Autor
Nome completo
Alex Saratani Huang
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Mello, Pedro Cardozo de (Presidente)
Colón, Diego
Costa, Ramon Romankevicius
Título em inglês
Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
Palavras-chave em inglês
Force control
Hybrid model testing
Super-twisting sliding mode control
Resumo em inglês
One solution to overcome the limitations of small scale model testing, such as scaling conflicts or infrastructure constrains, while retaining the physical phenomena' complexity, is hybrid model testing. In hybrid model testing, the physical substructure (tested experimentally) and the numerical substructure (simulated in a computer) interact with each other through a network of sensors and actuators. Hence, to apply the desired effects in the physical substructure, precise control of the actuators is necessary. In this work, we will develop a force actuator for hybrid model testing of a vessel in a wave tank. It will be employed a robust control technique (super-twisting sliding mode) to develop the controller of the force actuator consisting in a servomotor that applies a desired force through a line attached to the vessel model. We describe the force actuator dynamics and develop the sliding mode controller considering the system uncertainties (external disturbances, unknown plant parameters or unmodeled dynamics). Then, the force actuator is validated experimentally. We analyzed a step and a sinusoid input (0.1 to 2.0 Hz), with a disturbance motion of frequencies up to 1.5 Hz. The actuator developed showed good results (mean absolute error inferior to 0.1 N in all tests), where the high frequency error spikes (up to 0.33 N) should not have a significant effect on the hybrid model tests slow dynamics. We conclude that the force actuator will be a valuable tool for hybrid model testing.
Título em português
Desenvolvimento de um atuador de forças para ensaios com modelo híbrido em um tanque de ondas.
Palavras-chave em português
Controle de força
Controle por modos deslizantes super-twisting
Embarcações
Ensaio com modelo híbrido
Sistemas dinâmicos
Tanques
Resumo em português
Uma solução para superar limitações de ensaios com modelos em escala reduzida, como por exemplo conflitos de escala ou restrições de infraestrutura, ao mesmo tempo em que a complexidade do fenômeno físico é mantida, é utilizar ensaios com modelo híbrido. No ensaio com modelo híbrido, a subestrutura física (ensaida experimentalmente) e a subestrutura numérica (simulada no computador) interagem uma com a outra através de uma rede de sensores e atuadores. Assim, de forma a aplicar os efeitos desejados na subestrutura física, um controle preciso dos atuadores é necessário. Neste projeto, será desenvolvido uma atuador de forças para ensaios com modelo híbrido de uma embarcação em um tanque de ondas. Será empregada uma técnica de controle robusto (super-twisting sliding mode) para desenvolver o controlador do atuador de forças que consiste em uma servomotor que aplica uma força desejada através de uma linha conectada ao modelo de embarcação. Nós descrevemos a dinâmica do atuador de forças e desenvolvemos o controlador por modos deslizantes, levando em consideração as incertezas do sistema dinâmico (distúrbios externos, parâmetros desconhecidos ou dinâmicas não modeladas da planta). Então, o atuador de forças é validado experimentalmente. Foi analisada uma entrada degrau e uma entrada senoidal (0,1 a 2,0 Hz), com um movimento externo de distúrbio de até 1,5 Hz. O atuador desenvolvido apresentou bons resultados (erro absoluto médio inferior a 0,1 N para todos os testes), onde os erros de alta frequência (com picos de até 0,33 N) não devem apresentar um efeito significativo para a dinâmcia lenta dos ensaios com modelo híbrido. Concluímos que o atuador de forças será uma ferramenta valiosa nos ensaios com modelo híbrido.
 
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Data de Publicação
2021-07-16
 
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