On the dynamic behaviour of a nonlinear system weakly connected to a linear single degree-of-freedom system

This paper discusses the dynamic behaviour of a nonlinear two degree-of-freedom system consisting of a harmonically excited linear oscillator weakly connected to a nonlinear attachment that behaves as a hardening Duffing oscillator. A system which behaves in this way could be a shaker (linear system) driving a nonlinear isolator. The mass of the nonlinear system is taken to be much less than that in the linear system and thus the nonlinear system has little effect on the dynamics of the linear system. Of particular interest is the situation when the linear natural frequency of the nonlinear system is less than the natural frequency of the linear system such that the frequency response curve of the nonlinear system bends to higher frequencies and thus interacts with the resonance frequency of the linear system. It is shown that for some values of the system parameters a complicated frequency response curve for the nonlinear system can occur; closed detached curves can appear as a part of the overall amplitude-frequency response. The reason why these detached curves appear is presented and approximate analytical expressions for the jump-up and jump-down frequencies of the system under investigation are given.

Um estudo da dinâmica fracamente não-linear de um sistema nanomecânico

Pós-graduação em Matemática - IBILCE

Implementação e testes de campo de um ESP digital

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento e os resultados da implementação e testes em campo de um estabilizador de sistema de potência (ESP) projetado com técnica de controle digital para fins de amortecimento de modos de oscilação eletromecânica observáveis em sinais de potência elétrica medido em uma unidade hidro-geradora, de 350 MVA da Usina Hidrelétrica de Tucuruí. É apresentada e aplicada a metodologia de identificação de modelos paramétricos lineares do tipo auto regressivo com entradas exógenas (ARX), para estimação de modelos com capacidade de capturar a informação relevante (amortecimento e freqüência natural) dos modos eletromecânicos dominantes do sistema. De posse do modelo paramétrico ARX, é efetuada então a síntese da lei de controle digital amortecedor para o ESP, através da técnica de deslocamento radial dos pólos da função de transferência de malha fechada. Para a síntese da lei de controle digital, utilizou-se uma estrutura canônica do tipo RST. Para os testes de campo, a lei de controle amortecedor do ESP digital foi codificada em linguagem C e embarcada em um protótipo cujo hardware é baseado em microcontrolador modelo DSPIC 30F3014, o qual incorpora um grande número de periféricos para aquisição e comunicação de dados. Para avaliar o desempenho do ESP digital desenvolvido, testes experimentais foram realizados em uma unidade geradora de 350 MVA da casa de força número 1, da UHE de Tucuruí. O estabilizador desenvolvido atua através da modulação da referência de tensão do regulador automático de tensão da respectiva unidade geradora, de acordo com as oscilações observadas através da medida de potência elétrica no estator do gerador. Os resultados de testes de campo mostraram um excelente desempenho do ESP digital no amortecimento de um modo eletromecânico, de freqüência natural de aproximadamente 1,7 Hz, observado nos teste de campo realizado.

Estratégias de controle de ordem fracionária aplicadas ao amortecimento de oscilações eletromecânicas em sistemas elétricos de potência

Neste trabalho é proposta uma nova metodologia de projeto de estabilizadores de sistemas de potência baseada em teoria de sistemas de ordem fracionária (ESP-OF). A estratégia é baseada em uma generalização do projeto de compensadores do tipo rede avançoatraso (lead-lag) para o domínio de funções de transferência de ordem fracionária. Uma nova variável de projeto, a qual define a ordem da dinâmica fracionária do controlador, é sintonizada para se obter um compromisso entre um bom desempenho no amortecimento do modo eletromecânico dominante e uma robustez ampliada do ESP-OF. O desempenho do ESP-OF foi avaliado experimentalmente, em um sistema de potência em escala reduzida, localizado no Laboratório de Sistemas de Potência da Universidade Federal do Pará. A referida planta de teste apresenta uma estrutura típica do tipo gerador síncrono conectado a um barramento infinito e exibe um modo dominante de oscilação eletromecânica, de amortecimento extremamente reduzido, cujo valor da frequência natural é em torno de 1,2 Hz. O ESP-OF foi então projetado para ampliar o amortecimento relativo desse modo alvo, para toda a faixa de operação admissível. Para fins de implementação prática, primeiramente foram realizados testes experimentais para a identificação de um modelo nominal da planta, sob a forma de uma função de transferência pulsada, para uso na fase de projeto. O modelo obtido experimentalmente foi então validado e posteriormente utilizado tanto para o projeto do ESP-OF quanto para o projeto de um ESP convencional (utilizado para fins de comparação de desempenho). As leis de controle amortecedor do ESP-OF foram calculadas, convertidas para a forma de equações a diferenças e, subsequentemente, embarcadas em sistema digital baseado em microcontrolador DSPIC. Diversos testes de resposta ao impulso foram realizadas sob diferentes condições operacionais. As respectivas respostas dinâmicas dos sinais de saída da planta (desvio de potencia ativa) e do esforço de controle foram registradas para fins de análise. Os resultados experimentais mostraram que o ESP fracionário apresentou um desemprenho dinâmico e robustez similar em comparação com o desempenho obtido por um ESP convencional, para toda a faixa de operação investigada.

An investigation into the simultaneous use of a resonator as an energy harvester and a vibration absorber

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise dinâmica de mecanismo articulado de suspensão com não-linearidade na rigidez devido à geometria e à excitação por desbalanceamento rotativo na condição não ideal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEB

On the contact stiffness and nonlinear vibration of an elastic body with a rough surface in contact with a rigid flat surface

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The dynamic behavior of a cantilever beam coupled to a non-ideal unbalanced motor through numerical and experimental analysis

An excitation force that is not influenced by the system state is said to be an ideal energy source. In real situations, a direct and feedback coupling between the excitation source and the system must always exist at a certain level. This manifestation of the law of conservation of energy is known as the Sommerfeld effect. In the case of obtaining a mathematical model for such a system, additional equations are usually necessary to describe the vibration sources with limited power and its coupling with the mechanical system. In this work, a cantilever beam and a non-ideal DC motor fixed to its free end are analyzed. The motor has an unbalanced mass that provides excitation to the system which is proportional to the current applied to the motor. During the coast up operation of the motor, if the drive power is increased slowly, making the excitation frequency pass through the first natural frequency of the beam, the DC motor speed will remain the same until it suddenly jumps to a much higher value (simultaneously its amplitude jumps to a much lower value) upon exceeding a critical input power. It was found that the Sommerfeld effect depends on some system parameters and the motor operational procedures. These parameters are explored to avoid the resonance capture in the Sommerfeld effect. Numerical simulations and experimental tests are used to help gather insight of this dynamic behavior. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Projeto de controladores para a maximização de sistemas de captação de energia considerando excitação não ideal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

On energy harvesting form time-limited excitations: simulations and case study

Linear resonant harvesters have been the most common type of generators used to scavenge energy from mechanical vibrations. When subject to harmonic excitation, good performance is achieved once the device is tuned so that its natural frequency coincides with the excitation frequency. In such a situation, the average power harvested in a cycle is proportional to the cube of the excitation frequency and inversely proportional to the suspension damping, which is sought to be very low. However, a very low damping involves a relatively long transient in the system response, where the classical formulation adopted for steady-state regimes do not hold. This paper presents an investigation into the design of a linear resonant harvester to scavenge energy from time-limited harmonic excitations involving a transient response, which could be more likely in some practical situations. An application is presented considering train-induced vibrations.

Numerical and experimental investigation of a vibration system with non-ideal vibration source

An excitation force that is not influenced by the system's states is said to be an ideal energy source. In real situations, a direct and feedback coupling between the excitation source and the system must always exist. This manifestation of the law of conversation of energy is known as Sommerfeld Effect. In the case of obtaining a mathematical model for such system, additional equations are usually necessary to describe the vibration sources and their coupling with the mechanical system. In this work, a cantilever beam and a non-ideal electric DC motor that is fixed to the beam free end is analyzed. The motor has an unbalanced mass that provides excitation to the system proportional to the current applied to the motor. During the motor's coast up operation, as the excitation frequency gets closer to the beam first natural frequency and if the drive power increases further, the DC motor speed remains constant until it suddenly jumps to a much higher value (simultaneously the vibration amplitude jumps to a much lower value) upon exceeding a critical input power. It was found that the Sommerfeld effect depends on some system parameters and the motor operational procedures. These parameters are explored to avoid the resonance capture in Sommerfeld effect. Numerical simulations and experimental tests are used to help insight this dynamic behavior.

Análise dinâmica não-linear de um sistema não-ideal, utilizando amortecedor magneto-reológico

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Controle das propriedades dinâmicas de sistemas mecânicos através da utilização de molas inteligentes

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEIS

Análise de ordem de uma bancada experimental aplicada ao estudo de rotores

In this work the main concepts to apply to dynamic signal analysis technique for rotating machines known as order analysis, discussing their characteristics and applying it on an experimental test rig. It aims to characterize the dynamic behavior of experimental test rig in run up and run down tests, it's operational speed range and the identification of the critical speed of shaft rotation. The results of the critical speed and stationary natural frequency of the shaft are discussed

Análise de ordem de uma bancada experimental aplicada ao estudo de rotores

In this work the main concepts to apply to dynamic signal analysis technique for rotating machines known as order analysis, discussing their characteristics and applying it on an experimental test rig. It aims to characterize the dynamic behavior of experimental test rig in run up and run down tests, it's operational speed range and the identification of the critical speed of shaft rotation. The results of the critical speed and stationary natural frequency of the shaft are discussed