Vibration control of rotating machines using electromagnetic actuators

Abstract

The aim of the present work is the study of active vibration control of flexible rotors using electromagnetic actuators. For this purpose, a flexible rotor was considered and modeled by using the Finite Element Method. As the original rotor model presents a high number of degrees of freedom, the Pseudo-Modal Method was used for reducing the size of the model. The design of the controllers used two different approaches. The architecture of the first one is based on the H∞ norm and Optimal Control, so that both methods were developed by using Linear Matrix Inequalities. The advantage of the LMIs is that they are able to take into account parameter uncertainties. In the second approach, the architecture of the controllers was developed by using Fuzzy Logic techniques. In these two approaches the controllers were designed in the modal domain. The advantage of the modal contol is that the controllers can be designed using small number vibration modes of the system, thus contributing to reduce the computational cost. In the modal control, the modal states are not directly accessible from the experiment. For determining the mode estimates, the Kalman estimation technique (Kalman Filter) was employed. The advantage of this estimator is its ability in determining the modes from noisy signals. Regarding the electromagnetic actuators, they have nonlinear behavior; the corresponding nonlinear problem is solved by using the inverse model of the actuators. The developed methodology was analyzed both numerically and experimentally.The performance of the controllers was tested under several conditions for the operation of the rotor. The obtained results, both numerical and experimental, demonstrate the success of the methodology conveyed and its great potential for the active vibration control of flexible rotors, in the context of the so-called smart rotors.Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDoutor em Engenharia MecânicaO presente trabalho tem por objetivo o estudo de controle ativo de vibrações em rotores flexíveis utilizando atuadores eletromagnéticos. Dentro deste contexto, foi estudado um rotor flexível que foi modelado empregando o Método dos Elementos Finitos. Como o modelo original do rotor possui um elevado número de graus de liberdade, foi necessário reduzir tal modelo, sendo utilizado para isto o Método Pseudo-Modal. O projeto dos controladores foi realizado utilizando duas diferentes abordagens. A primeira abordagem envolve controladores projetados via norma H∞ e Controle Ótimo, sendo que ambos os casos foram desenvolvidos utilizando desigualdades matriciais, técnica que facilita a inclusão de incertezas no projeto do controlador. Na segunda abordagem, os controladores foram desenvolvidos utilizando a Lógica Nebulosa (Fuzzy). Nestas duas abordagens os controladores foram projetados no domínio modal. A vantagem de se utilizar a metodologia de controle modal é que os controladores são projetados com base apenas em poucos modos de vibração do sistema, aspecto que, dentre suas vantagens, contribui para a redução do custo computacional. Neste tipo de controle, nem sempre os estados modais são acessíveis experimentalmente, exigindo, portanto, sua estimação. Com este propósito foram utilizados estimadores de Kalman (Filtro de Kalman), os quais apresentam como ponto positivo sua capacidade de estimação a partir de um sinal contendo ruído. Com relação aos atuadores eletromagnéticos, que são não lineares, o problema da não linearidade é resolvido a partir do emprego do modelo inverso dos atuadores. A metodologia desenvolvida foi analisada tanto no âmbito numérico como no experimental. O desempenho dos controladores foi testado para diversas condições de funcionamento do rotor. Os resultados obtidos, tanto numéricos como experimentais, mostram o sucesso da metodologia empregada e as potencialidades do uso do tipo de atuador aqui empregado no campo do controle ativo de vibração de rotores, considerando os chamados rotores inteligentes