Nono Simpósio de Mecânica Computacional
26 a 28 de maio de 2010
Universidade Federal de São João Del-Rei – MG
Associação Brasileira de Métodos Computacionais em Engenharia
Sistema de Controle e Monitoramento de uma Bancada Experimental
para Amortecedor Magneto-Reológico
Alexandre Silva de Lima1; Max Suell Dutra2; Fernando Castro Pinto2;
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Departamento de Engenharia Industrial de Controle e Automação – CEFET-RJ –, Rio de
Janeiro, RJ
CEP: 20271-110
e-mail: [email protected]
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Programa de Engenharia Mecânica – COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ
e-mail: [email protected], [email protected]
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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BIBLIOGRAFIA
ANG, W. L., LI, W. H. e DU, H., 2004. Experimental and Modelling Approaches of a MR
Damper Performance Under Harmonic Loading, Journal of The Institution of
Engineers, 44.
CARLSON, J.D., 1994. The Promise of Controllable Fluids, AXON Technologie Consult
GmbH, pp. 266–270
LAI, C. Y., LIAO, W. H., 2001. 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., 1996.
Phenomenological Model of a Magnetorheological Damper, Journal of Engineering
Mechanics, 123, pp. 230-238.
STUTZ, L. T., 2005, Síntese e Análise de uma Suspensão Semi-Ativa Magneto Reológica
Baseada na Abordagem de Controle com Estrutura Variável.
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