Tese
Controle modal de rotores com mancais magnéticos: Projeto Robusto
Registro en:
Autor
Borges, Adriano Silva
Institución
Resumen
The present work is devoted to the development of a Systematic Approach for the Robust
Design of an Active Modal Controller applied to Supercritical Rotors supported by Magnetic
Bearings. For this purpose, all the steps involved in the design of a robust controller based on
multimodel eigenstructure assignment technique were discussed from a complete and detailed
point of view. The first step was the conception of a numeric/computer model in
MATLAB/SIMULINK environment, based on the specifications provided by the test rig
manufacturer. Following, this model was tested through an experimental validation process,
resulting a mathematical model that represents closely the dynamic behavior of the actual
physical system. Next, the most critical uncertainties of the system were incorporated into the
nominal model by using the Linear Fractional Transformation (LFT) approach. The first stage
of the controller synthesis process itself was the specification of all design requirements. Then,
all the phases involved in the process of the multimodel eigenstructure assignment are
addressed in detail, starting from the determination of the plant dominant poles until the model
based analysis of the system stability and performance. In this way, the potential of the
methodology proposed was investigated and possible design problems were anticipated. It
should be highlighted that the system stability was assessed from two different viewpoints,
namely the standard ISO 14839-3 and the structured singular values (μ-analysis). In the same
way, the performance of the controller was evaluated through the analysis of its closed loop
Transfer Functions and by investigating the unbalance response of the rotating system. The
unbalance response was conducted according to the API 684 technical standard guidelines
and the vibration severity was classified as based on ISO 14839-2 criteria. Therefore, both the
stability margin and performance of the controller were experimentally assessed which, in
accordance with the simulations, demonstrated that the controller design was successful.
Based upon these results, it is possible to state that the main contribution of the presente work
was the sistematization of the Robust Design of Active Modal Controller applied to Supercritical
Rotors supported by Magnetic Bearings. In addition, anothers relevant contributions should
also be highlighted, namely: development of representative models of rotating systems for
application in active control plants, determination and implementation of active control
architectures with real possibility of application in industry, design and characterization of
controllers for active magnetic bearings with focus in modal control. Finally, it is worth
mentioning that for all presented investigations, comparisons between the two architectures of
the controller, namely: the modal controller and the PI controller were performed accordingly. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Doutor em Engenharia Mecânica O presente trabalho é dedicado à Sistematização do Projeto Robusto de Sistemas de Controle
Ativo Modal de Rotores Supercríticos suportados por Mancais Magnéticos. Com este objetivo,
abordou-se de forma clara e detalhada todas as etapas envolvidas no projeto de um
controlador robusto com base na técnica de atribuição de autoestrutura utilizando Múltiplos
Modelos. Em primeiro lugar, construiu-se um modelo numérico/computacional em ambiente
MATLAB/SIMULINK com base nas especificações fornecidas pelo fabricante da bancada de
testes. Em seguida, este modelo passou por um processo de validação experimental, que
resultou em um modelo representativo do comportamento dinâmico do sistema físico real. O
passo seguinte foi a determinação das incertezas mais críticas para o sistema, que foram
incorporadas ao modelo nominal através do emprego da Transformação Linear Fracionada
(Linear Fractional Transformation - LFT). A primeira etapa da síntese do controlador
propriamente dito foi a especificação dos requisitos de projeto. Isto posto, todo o processo de
atribuição de autoestrutura com base na técnica de Multiplos Modelos é apresentado de forma
completa, desde a análise para a determinação dos polos dominantes da planta até a
avaliação da estabilidade e do desempenho do sistema com base no modelo, realizada com
a finalidade de investigar a potencialidade da metodologia e de antecipar possíveis problemas.
Deve-se mencionar que a estabilidade do sistema foi avaliada tanto sob o ponto de vista da
norma ISO 14839-3 quanto através de uma análise dos valores singulares estruturados
(análise μ). De maneira análoga, o desempenho do controlador foi avaliado a partir das suas
Funções de Transferência em Malha Fechada e também sob o ponto de vista da sua reposta
ao desbalanceamento, sendo esta conduzida de acordo com as diretrizes da norma API 684
e classificada com base nos critérios definidos na norma ISO 14839-2. Em seguida, procedeuse
a avaliação experimental da margem de estabilidade e do desempenho do controlador que,
em conformidade com as simulações, mostraram que seu projeto foi bem sucedido. Com base
nestes resultados, pode-se afirmar que a principal contribuição deste trabalho foi a
sistematização do Projeto Robusto de Sistemas de Controle Ativo Modal de Rotores
Supercríticos suportados por Mancais Magnéticos. Adicionalmente, deve-se mencionar outras
contribuições relevantes, a saber: desenvolvimento de modelos representativos de sistemas
rotativos para aplicação em plantas com controle ativo, determinação e implementação de
arquiteturas de controle ativo com real possibilidade de utilização na indústria, projeto e
caracterização de controladores para mancais magnéticos com foco no controle modal.
Finalmente, é importante destacar que, para todas as análises apresentadas, foram realizadas
comparações entre os resultados obtidos para ambos os controladores estudados: o
controlador modal e o controlador PI original do sistema rotativo.