Sistema de Controle e Monitoramento de uma Bancada Experimental para Amortecedor Magneto-Reológico

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1 Universidade Federal de São João Del-Rei MG 26 a 28 de maio de 2010 Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia Sistema de Controle e Monitoramento de uma Bancada Experimental para Amortecedor Magneto-Reológico Alexandre Silva de Lima 1 ; Max Suell Dutra 2 ; Fernando Castro Pinto 2 ; 1 Departamento de Engenharia Industrial de Controle e Automação CEFET-RJ, Rio de Janeiro, RJ CEP: alima@cefet-rj.br 2 Programa de Engenharia Mecânica COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ max@mecanica.coppe.ufrj.br, fcpinto@ufrj.br Resumo. O amortecedor magneto-reologico (MR) é muito utilizado no controle e isolamento de vibrações. Ele é aplicado em diversas áreas como: em suspensão automotiva, assento de veículos pesados, amortecedor sísmico, protetização, entre outros. Este amortecedor devido o valor de tensão que lhe é aplicado, tem seu amortecimento variável tornando compatível com o valor da força a amortecer. Para equacionar a sua modelagem matemática é necessário observar seu comportamento experimental onde diferentes deslocamentos e forças são impostos ao amortecedor quando este é submetido a valores de tensão pré-determinados, o que resulta em conhecidos valores de intensidade do seu campo magnético. Neste trabalho é apresentado um sistema que adquire e envia os sinais responsável pelo funcionamento e monitoramento de uma bancada experimental que utiliza o movimento de um atuador hidráulico para excitar o amortecedor com uma freqüência conhecida, e monitora os valores de força e deslocamento da sua haste. Este sistema foi montado em um computador e utiliza além de um software para fazer o controle e monitoração, uma placa A/D de aquisição de sinais. Palavras chaves: amortecedor magneto-reológico, modelagem experimental, controle de movimento, placa de aquisição de sinais.

2 1 INTRODUÇÃO Desde o final do século passado, uma tecnologia que vem recebendo muita atenção entre os pesquisadores de controle de vibrações é o uso de amortecedores com fluidos inteligentes: os fluidos magneto-reológico (MR). Esses fluidos foram desenvolvidos na década de 1940, respectivamente por Winslow,1947, e Rainbow, 1948 (Lai, 2001). Os amortecedores que utilizam esses fluidos, se assemelham ao amortecedor tradicional a não ser pelo fato de que no interior do cilindro do amortecedor existe um fluido especial que contém minúsculas partículas que podem ser polarizadas. Com essa polarização, a viscosidade do fluido é modificada lentamente, transformando o fluido do estado líquido para um estado semi-sólido e vice-versa. Isto é realizado ajustando o valor do campo magnético produzido pelas espiras do eletromagneto ao redor da cabeça do pistão do amortecedor, exatamente onde se localiza o orifício ou válvula (Carlson, 2000). Para a sua modelagem matemática é necessário observar seu comportamento experimental onde diferentes deslocamentos e forças são impostos ao amortecedor quando este é submetido a valores de tensão pré-determinados, o que resulta em conhecidos valores de intensidade do seu campo magnético. O objetivo deste trabalho é apresentar o sistema de controle e aquisição de sinais utilizado em uma bancada experimental montada para realizar os ensaios com o amortecedor MR. 2 MATERIAIS E MÉTODOS A excitação senoidal necessária para estimular o amortecedor MR pode ser obtida através de três meios principais: um excitador de força eletro-mecânico (Stutz, 2005), uma máquina de ensaios cíclicos (Ang et. al., 2004) e um atuador hidráulico (Spencer et. al., 1996). Neste trabalho foi escolhido como excitador o atuador hidráulico, onde para ele se movimentar de forma senoidal foi implementado um programa através do software LabVIEW que permite o envio do sinal senoidal com amplitude e freqüência ajustáveis para a válvula proporcional hidráulica que controla o movimento do atuador hidráulico. Na Figura 1 é mostrado o programa elaborado para o controle e a geração do sinal em forma de senóide. Figura 1 Estrutura do Programa para a Geração do Sinal Senoidal.

3 Para tornar o sinal de saída do computador compatível com o sinal de entrada na válvula proporcional foi elaborado um circuito conversor de 0 a 5Vcc para 150 a 800 ma para cada solenóide da válvula, como é mostrado na Figura 2. Figura 2 Circuito Conversor de 0 a 5 Vcc para 150 a 800 ma. Com a finalidade de medir a força e o deslocamento da excitação imposta pelo atuador hidráulico, foi montado entre o amortecedor MR e o atuador hidráulico uma célula de carga e um sensor de deslocamento do tipo potenciômetro linear. Para permitir a leitura desses dois sensores foi montado um programa em LabVIEW onde sua estrutura é mostrada na Figura 3. Figura 3 - Estrutura do Programa para a Leitura dos Sinais dos Sensores.

4 Além do filtro digital na entrada dos sinais da célula de carga e do potenciômetro linear, também foram utilizados filtros analógicos, para melhorar ainda mais a leitura dos sinais minimizando assim os ruídos. Nessa estrutura também foram incluídos dois blocos responsáveis pelo armazenamento em arquivo dos valores lidos pelos dois sensores. Na Figura 4 é mostrado o digrama do painel frontal do programa, onde se pode observar a leitura da célula de carga e do potenciômetro assim como a geração do sinal senoidal para cada solenóide. Figura 4 Estrutura do painel frontal do programa. Para permitir a comunicação entre o computador e os componentes da bancada foi utilizado uma placa A/D via porta USB mostrada na Figura 5.

5 Figura 5 A placa A/D utilizada. Esta placa através das suas entradas, vai fazer a leitura dos sinais dos dois sensores (célula de carga e potenciômetro) e através das suas saídas vai enviar os sinais senoidais para a excitação das solenóides da válvula proporcional direcional, segundo a lógica montada no programa. 3 RESULTADOS A partir dessa bancada e do programa responsável pelo controle e leitura dos sinais serão obtidos os valores tanto de força como do deslocamento linear impostos ao amortecedor MR através da excitação com o sinal em forma de senóide. Com esses valores serão obtidos gráficos tanto do valor da força como do deslocamento da haste do amortecedor MR, em função do tempo, semelhantes aos mostrados nas Figuras 6 e 7. Figura 6 - Gráfico Força x Tempo (Spencer et. al., 1996). Figura 7 - Gráfico Deslocamento x Tempo (Spencer et. al., 1996).

6 4 DISCUSSÃO A partir dos gráficos experimentais que serão obtidos, e utilizando um algoritmo de obtenção de parâmetros, serão determinados os parâmetros necessários para o equacionamento da modelagem matemática do amortecedor MR que foi utilizado neste trabalho. 5 CONCLUSÕES A bancada que é apresentada neste trabalho possui um diferencial de permitir se ajustar os valores de freqüência do sinal de excitação e o tipo do sinal de acordo com o procedimento experimental. Esses ajustes são feitos através de um programa que foi desenvolvido para controlar o funcionamento da bancada. Isto facilita a verificação do comportamento do amortecedor em diversos valores de freqüência e com vários tipos de sinais de excitação, permitindo o ensaio com diversos modelos desse tipo de amortecedor, não ficando restrito a apenas o modelo que está sendo utilizado. Como cada modelo de amortecedor MR possui seu próprio comportamento não-linear, este tipo de bancada apresentada neste trabalho é de suma importância para se modelar à equação matemática que irá reger o seu comportamento. Os parâmetros matemáticos que serão obtidos através dos valores dos pontos dos gráficos força x tempo e deslocamento x tempo, são específicos para cada amortecedor, logo se conhecendo esses parâmetros se formula sua modelagem matemática o que vai permitir modelar o seu controle e assim utilizá-lo em uma aplicação específica. 6 BIBLIOGRAFIA ANG, W. L., LI, W. H. e DU, H., Experimental and Modelling Approaches of a MR Damper Performance Under Harmonic Loading, Journal of The Institution of Engineers, 44. CARLSON, J.D., The Promise of Controllable Fluids, AXON Technologie Consult GmbH, pp LAI, C. Y., LIAO, W. H., Vibration Control of a Suspension System via a Magnetorheological Fluid Damper. SPENCER JR., B.F., DYKE, S.J, SAIN, M.K. e CARLSON, J.D., Phenomenological Model of a Magnetorheological Damper, Journal of Engineering Mechanics, 123, pp STUTZ, L. T., 2005, Síntese e Análise de uma Suspensão Semi-Ativa Magneto Reológica Baseada na Abordagem de Controle com Estrutura Variável. 7 DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.

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