Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Alex Saratani Huang
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Texto Completo: https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-16072021-110003
Resumo: One solution to overcome the limitations of small scale model testing, such as scaling conflicts or infrastructure constrains, while retaining the physical phenomena\' complexity, is hybrid model testing. In hybrid model testing, the physical substructure (tested experimentally) and the numerical substructure (simulated in a computer) interact with each other through a network of sensors and actuators. Hence, to apply the desired effects in the physical substructure, precise control of the actuators is necessary. In this work, we will develop a force actuator for hybrid model testing of a vessel in a wave tank. It will be employed a robust control technique (super-twisting sliding mode) to develop the controller of the force actuator consisting in a servomotor that applies a desired force through a line attached to the vessel model. We describe the force actuator dynamics and develop the sliding mode controller considering the system uncertainties (external disturbances, unknown plant parameters or unmodeled dynamics). Then, the force actuator is validated experimentally. We analyzed a step and a sinusoid input (0.1 to 2.0 Hz), with a disturbance motion of frequencies up to 1.5 Hz. The actuator developed showed good results (mean absolute error inferior to 0.1 N in all tests), where the high frequency error spikes (up to 0.33 N) should not have a significant effect on the hybrid model tests slow dynamics. We conclude that the force actuator will be a valuable tool for hybrid model testing.
id USP_33c4887e7c0ce2282dbd2eea772f3765
oai_identifier_str oai:teses.usp.br:tde-16072021-110003
network_acronym_str USP
network_name_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository_id_str 2721
spelling info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesis Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank. Desenvolvimento de um atuador de forças para ensaios com modelo híbrido em um tanque de ondas. 2021-04-14Eduardo Aoun TannuriPedro Cardozo de MelloDiego ColónRamon Romankevicius CostaAlex Saratani HuangUniversidade de São PauloEngenharia MecânicaUSPBR Controle de força Controle por modos deslizantes super-twisting Embarcações Ensaio com modelo híbrido Force control Hybrid model testing Sistemas dinâmicos Super-twisting sliding mode control Tanques One solution to overcome the limitations of small scale model testing, such as scaling conflicts or infrastructure constrains, while retaining the physical phenomena\' complexity, is hybrid model testing. In hybrid model testing, the physical substructure (tested experimentally) and the numerical substructure (simulated in a computer) interact with each other through a network of sensors and actuators. Hence, to apply the desired effects in the physical substructure, precise control of the actuators is necessary. In this work, we will develop a force actuator for hybrid model testing of a vessel in a wave tank. It will be employed a robust control technique (super-twisting sliding mode) to develop the controller of the force actuator consisting in a servomotor that applies a desired force through a line attached to the vessel model. We describe the force actuator dynamics and develop the sliding mode controller considering the system uncertainties (external disturbances, unknown plant parameters or unmodeled dynamics). Then, the force actuator is validated experimentally. We analyzed a step and a sinusoid input (0.1 to 2.0 Hz), with a disturbance motion of frequencies up to 1.5 Hz. The actuator developed showed good results (mean absolute error inferior to 0.1 N in all tests), where the high frequency error spikes (up to 0.33 N) should not have a significant effect on the hybrid model tests slow dynamics. We conclude that the force actuator will be a valuable tool for hybrid model testing. Uma solução para superar limitações de ensaios com modelos em escala reduzida, como por exemplo conflitos de escala ou restrições de infraestrutura, ao mesmo tempo em que a complexidade do fenômeno físico é mantida, é utilizar ensaios com modelo híbrido. No ensaio com modelo híbrido, a subestrutura física (ensaida experimentalmente) e a subestrutura numérica (simulada no computador) interagem uma com a outra através de uma rede de sensores e atuadores. Assim, de forma a aplicar os efeitos desejados na subestrutura física, um controle preciso dos atuadores é necessário. Neste projeto, será desenvolvido uma atuador de forças para ensaios com modelo híbrido de uma embarcação em um tanque de ondas. Será empregada uma técnica de controle robusto (super-twisting sliding mode) para desenvolver o controlador do atuador de forças que consiste em uma servomotor que aplica uma força desejada através de uma linha conectada ao modelo de embarcação. Nós descrevemos a dinâmica do atuador de forças e desenvolvemos o controlador por modos deslizantes, levando em consideração as incertezas do sistema dinâmico (distúrbios externos, parâmetros desconhecidos ou dinâmicas não modeladas da planta). Então, o atuador de forças é validado experimentalmente. Foi analisada uma entrada degrau e uma entrada senoidal (0,1 a 2,0 Hz), com um movimento externo de distúrbio de até 1,5 Hz. O atuador desenvolvido apresentou bons resultados (erro absoluto médio inferior a 0,1 N para todos os testes), onde os erros de alta frequência (com picos de até 0,33 N) não devem apresentar um efeito significativo para a dinâmcia lenta dos ensaios com modelo híbrido. Concluímos que o atuador de forças será uma ferramenta valiosa nos ensaios com modelo híbrido. https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-16072021-110003info:eu-repo/semantics/openAccessengreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USP2023-12-21T19:07:00Zoai:teses.usp.br:tde-16072021-110003Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212023-12-22T12:45:20.297971Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
dc.title.en.fl_str_mv Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
dc.title.alternative.pt.fl_str_mv Desenvolvimento de um atuador de forças para ensaios com modelo híbrido em um tanque de ondas.
title Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
spellingShingle Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
Alex Saratani Huang
title_short Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
title_full Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
title_fullStr Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
title_full_unstemmed Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
title_sort Development of a force actuator for hybrid model tests in a wave tank.
author Alex Saratani Huang
author_facet Alex Saratani Huang
author_role author
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Eduardo Aoun Tannuri
dc.contributor.advisor-co1.fl_str_mv Pedro Cardozo de Mello
dc.contributor.referee1.fl_str_mv Diego Colón
dc.contributor.referee2.fl_str_mv Ramon Romankevicius Costa
dc.contributor.author.fl_str_mv Alex Saratani Huang
contributor_str_mv Eduardo Aoun Tannuri
Pedro Cardozo de Mello
Diego Colón
Ramon Romankevicius Costa
description One solution to overcome the limitations of small scale model testing, such as scaling conflicts or infrastructure constrains, while retaining the physical phenomena\' complexity, is hybrid model testing. In hybrid model testing, the physical substructure (tested experimentally) and the numerical substructure (simulated in a computer) interact with each other through a network of sensors and actuators. Hence, to apply the desired effects in the physical substructure, precise control of the actuators is necessary. In this work, we will develop a force actuator for hybrid model testing of a vessel in a wave tank. It will be employed a robust control technique (super-twisting sliding mode) to develop the controller of the force actuator consisting in a servomotor that applies a desired force through a line attached to the vessel model. We describe the force actuator dynamics and develop the sliding mode controller considering the system uncertainties (external disturbances, unknown plant parameters or unmodeled dynamics). Then, the force actuator is validated experimentally. We analyzed a step and a sinusoid input (0.1 to 2.0 Hz), with a disturbance motion of frequencies up to 1.5 Hz. The actuator developed showed good results (mean absolute error inferior to 0.1 N in all tests), where the high frequency error spikes (up to 0.33 N) should not have a significant effect on the hybrid model tests slow dynamics. We conclude that the force actuator will be a valuable tool for hybrid model testing.
publishDate 2021
dc.date.issued.fl_str_mv 2021-04-14
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-16072021-110003
url https://doi.org/10.11606/D.3.2021.tde-16072021-110003
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade de São Paulo
dc.publisher.program.fl_str_mv Engenharia Mecânica
dc.publisher.initials.fl_str_mv USP
dc.publisher.country.fl_str_mv BR
publisher.none.fl_str_mv Universidade de São Paulo
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
instname:Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
instname_str Universidade de São Paulo (USP)
instacron_str USP
institution USP
reponame_str Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
collection Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
repository.name.fl_str_mv Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)
repository.mail.fl_str_mv virginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.br
_version_ 1794502784433782784