Estratégia de Controle de Vibração para Equipamentos e Estruturas de Potência: O Caso do TMD/ATMD

O controle de vibração em sistemas de equipamentos de potência e suas estruturas de suporte tem ganhado atenção crescente devido ao impacto significativo das vibrações na eficiência e longevidade dos sistemas. A tecnologia de amortecedores de massa sintonizada (TMD, na sigla em inglês) tem sido amplamente utilizada para controlar as vibrações induzidas por terremotos e ventos nas estruturas. No entanto, o TMD, por sua natureza, não considera o controle ativo de energia, o que limita sua eficácia. Para superar essa limitação, foi desenvolvido o amortecedor de massa sintonizada ativo (ATMD), que incorpora um controlador ativo, além de molas e amortecedores, oferecendo uma solução mais eficiente para a supressão de vibrações.

A estratégia de controle de vibração TMD/ATMD aplicada a sistemas de equipamentos de potência e suas estruturas de suporte é ilustrada na Figura 6.1. Neste sistema, a massa do equipamento de potência (mp) e a plataforma ou fundação (mb) são conectadas através de um sistema de isolamento de vibração composto por molas (kp, kb) e amortecedores (cp, cb). Os deslocamentos, velocidades e acelerações das diferentes partes do sistema (equipamento, fundação e estrutura) são monitorados e controlados para reduzir a transmissão de vibrações através das camadas estruturais.

A dinâmica do sistema pode ser representada por um conjunto de equações diferenciais que descrevem os comportamentos do sistema sob diferentes condições de vibração. Quando o ATMD é aplicado, o controle ativo de forças gerado por um atuador é introduzido no modelo, aumentando a eficiência do sistema em comparação com o TMD. Este sistema é descrito pelas equações de movimento, que consideram as interações entre a massa do equipamento, a fundação e a estrutura de suporte, incluindo a resposta dinâmica dos sistemas de controle.

Quando um sistema ATMD é considerado, a dinâmica é descrita por um vetor de estado que inclui as variáveis de deslocamento, velocidade e aceleração das diferentes partes do sistema. O espaço de estado resultante, por sua vez, permite a análise do comportamento dinâmico do sistema sob diferentes condições, incluindo a influência de ruídos de medição e perturbações externas.

A teoria de controle ótima LQG (Linear Quadratic Gaussian) é comumente aplicada para resolver problemas de controle ativo, onde a força de controle é ajustada para minimizar a função de custo que pondera o desempenho do sistema e o consumo de energia. A aplicação do filtro de Kalman permite estimar o estado do sistema, mesmo quando nem todas as variáveis do vetor de estado podem ser observadas diretamente. Essa abordagem oferece um meio eficaz de ajustar o controle de vibrações com base em medições incompletas ou imprecisas.

Os parâmetros estruturais de um sistema de vibração composto, como a massa das camadas de estrutura e as propriedades dos sistemas de isolamento de vibração, têm um impacto significativo no desempenho do controle. A configuração correta desses parâmetros, juntamente com a otimização do controlador ATMD, pode resultar em uma redução significativa das vibrações e na melhoria da estabilidade do sistema.

Além disso, é importante compreender que, embora o controle de vibração atenda a uma necessidade imediata de melhorar a performance e a durabilidade dos sistemas de potência, o impacto de parâmetros como a escolha dos materiais para a estrutura, o tipo de fundação e as condições ambientais também deve ser considerado para um controle de vibração eficaz e sustentável a longo prazo. O comportamento dinâmico do sistema, com base em suas frequências naturais, pode ser otimizado, mas a interação entre a dinâmica do equipamento, a estrutura e o ambiente ao redor precisa ser continuamente monitorada e ajustada.

Absorção Dinâmica de Vibrações: Controle Ativo, Semi-ativo e Aplicações em Estruturas de Piso

A absorção dinâmica de vibrações (DVA) é uma técnica essencial para mitigar os efeitos indesejados das vibrações em sistemas mecânicos e estruturas. A necessidade de absorver essas vibrações surge principalmente em ambientes industriais e de construção, onde as condições de operação podem causar desconforto ou até danos estruturais. No contexto do controle de vibrações, diferentes abordagens podem ser adotadas, variando desde métodos passivos até controles ativos e semi-ativos.

O controle ativo de vibrações, utilizando um sistema PID (Proporcional, Integral, Derivativo), é um dos métodos mais eficazes para controlar a vibração dinâmica. No controle PID, os parâmetros são ajustados conforme as características do sistema. Por exemplo, em um estudo realizado com um sistema de controle ativo PID, os valores de ganho foram ajustados para kp = 2.773 × 10^4, ki = 0.0621 × 10^4, e kd = −2.031 × 10^4. Esses ajustes foram feitos para minimizar a oscilação e melhorar a estabilidade do sistema em resposta a forças externas, com resultados positivos evidenciados por gráficos de convergência de valores otimizados.

Entretanto, o controle ativo de vibrações, embora eficiente, enfrenta desafios significativos, como consumo elevado de energia e complexidade dos sistemas de atuação. Para superar essas limitações, surgiu o conceito de controle semi-ativo, utilizando amortecedores magnetorreológicos (MRD). Esses sistemas semi-ativos oferecem a vantagem de usar uma quantidade mínima de energia externa para operar, sem comprometer a eficácia do controle. O sistema de absorção de vibrações semi-ativo, baseado no MRD, substitui a necessidade de um sistema de controle ativo completo, mantendo a flexibilidade e a capacidade de ajustar a força de amortecimento dinamicamente.

O controle semi-ativo baseado no MRD pode ser modelado e analisado através de equações de estado, onde o sistema dinâmico de dois graus de liberdade é expresso com a inclusão do termo de força de amortecimento Fmr(t), proveniente do amortecedor magnetorreológico. As equações de estado do sistema são dadas por um conjunto de equações diferenciais que descrevem o comportamento dinâmico do sistema, levando em consideração a interação entre as forças aplicadas e o amortecimento controlado.

O uso do MRD para controle semi-ativo permite um sistema que supera muitos dos problemas associados ao controle ativo, como o consumo de energia elevado e a complexidade do sistema de detecção e atuação. A introdução de algoritmos de otimização, como o PSO, também pode ser aplicada aqui para melhorar a eficácia e a convergência do controle semi-ativo, permitindo que o sistema se ajuste em tempo real às condições dinâmicas do ambiente.

Nos estudos realizados, a instalação de TMDs no piso resultou em uma redução expressiva das vibrações verticais, com a frequência natural da estrutura sendo deslocada para um regime mais estável. No entanto, como o controle passivo dos TMDs ainda tem suas limitações em condições variáveis, o conceito de Amortecedor de Massa Sintonizada Ativo (ATMD) foi proposto. A adição de um sistema de controle ativo, como o PID, no ATMD, oferece uma resposta de controle de vibração ainda mais eficiente, ajustando a força de controle conforme a variação das condições de vibração.

A comparação entre os sistemas passivos e ativos, como demonstrado nas simulações de controle de vibração, mostra que o ATMD oferece uma melhoria significativa sobre os sistemas passivos, principalmente quando o controle ativo pode ser adaptado em tempo real às condições externas de vibração. A introdução de técnicas de otimização, como o PSO, também tem um papel fundamental na obtenção de um controle ainda mais refinado e eficaz, ajustando os parâmetros do controlador de acordo com as características dinâmicas do sistema.

Além disso, é importante destacar que, em sistemas de controle de vibrações, como os utilizados em edifícios ou em equipamentos pesados, o desempenho do sistema não depende apenas da precisão do controle, mas também da capacidade de previsão das condições operacionais e da resistência do sistema ao desgaste. A adoção de um controle semi-ativo ou ativo otimizado não apenas melhora a eficiência do sistema de absorção de vibrações, mas também contribui para uma maior durabilidade e resistência estrutural a longo prazo.