Monografias | Análisis y control de vibraciones mediante aislamiento activoAnálisis y control de vibraciones mediante aislamiento activoResumen: En este artículo se presenta una síntesis de los modelos de control de vibraciones por medio de aislamiento activo en sistemas mecánicos. El desarrollo se ejemplifica con un sistema mecánico de un grado de libertad con un actuador electrohidráulico. Palabras clave: Aislamiento activo – Aislamiento pasivo. Resumen:
En este artículo se presenta
una síntesis de los modelos de control de vibraciones por medio de
aislamiento activo en sistemas mecánicos. El desarrollo se ejemplifica con un
sistema mecánico de un grado de libertad con un actuador electrohidráulico. Palabras
clave: Aislamiento activo –
Aislamiento pasivo. Analysis
and control of vibrations using active isolation. Keywords:
Active
isolation – Passive isolation. 1.-
Introducción. En
la mayoría de las máquinas,
equipos y construcciones civiles, excepto las muy pequeñas, se pueden
presentar serios problemas estructurales o de funcionamiento debido a las
cargas dinámicas que producen vibraciones, por lo que resulta importante
evitar la propagación de las mismas mediante su absorción o eliminación. En
algunos casos es necesario aislar un equipo o base vibratoria ( como en el
caso de mesas de calibración de instrumentos), en otros se requiere
aislamiento para obtener comodidad, estabilidad y seguridad ( como en el caso
de las suspensiones de vehículos automotrices). Cuando una estructura o
equipo está bajo la acción de alguna forma de movimiento, se pueden emplear
muchos procedimientos para tratar de controlar y mantener la vibración dentro
de ciertos límites. El método tradicional para aislar la transmisión de
vibración desde una fuente vibratoria instalada sobre un soporte estructural
flexible (como en el caso de una máquina rotativa), es separar la máquina de
la estructura por medio de soportes elásticos disipativos. Este
tipo de control de vibraciones, que no requiere de una fuente de energía
externa para su funcionamiento se denomina control pasivo, e
involucra la reducción de las vibraciones por medio de resortes, materiales
elásticos y amortiguadores que se adicionan a la estructura desde la etapa de
diseño. La principal desventaja de este tipo de aislamiento está en la
limitación de eliminar sólo las vibraciones en el rango de frecuencia
para la cual fue calculado, por lo cual puede resultar ineficiente o inestable
si el rango de cambia. Adicionalmente, los aisladores pasivos tienen dos
restricciones negativas. La primera de ellas, es que el soporte seleccionado
debe soportar la carga estática de la máquina, y la segunda es que el
soporte debe tener una rigidez lo suficientemente baja para que la frecuencia
de resonancia de la máquina, montada sobre los soportes aislantes, sea
considerablemente menor que la frecuencia de operación de la máquina. Una
opción para evitar estas restricciones es adicionar un sistema de control
activo en serie o en paralelo
con soportes convencionales de control de vibración pasivos. El sistema se
vuelve mucho más confiable ya que si el sistema de control de vibración
activo falla, el sistema de soporte pasivo continúa funcionando. 2.-
Aspectos generales de un sistema controlado
por aislamiento activo. El
control activo involucra es uso de una fuente de energía externa, sensores,
actuadores y algún tipo de sistema de control electrónico con el objeto
específico de reducir o mantener los niveles de vibración dentro de los márgenes
definidos previamente. Este
procedimiento ha adquirido un importante impulso en los últimos años, por
ejemplo, en la industria automotriz mediante la aplicación de la suspensión
inteligente o suspensión activa. Este desarrollo ha traído como
consecuencia la permanente investigación y aplicación de nuevos métodos de
control y sistemas tecnológicos, tales como controladores P, redes
neuronales, controladores fuzzy y control adaptativo entre los principales. Un
sistema de aislamiento activo de vibraciones puede considerarse como un
sistema en el cual las fuerzas disipativas son recalculadas continuamente para
obtener las características de funcionamiento deseadas. Las
ventajas principales son: Suministran
o disipan energía cuando se requiere. Permiten
atenuar vibraciones en un rango amplio de frecuencias. Toleran
diferentes tipos de perturbaciones. La
figura 1 muestra un sistema de aislamiento activo que utiliza potencia hidráulica.
Un sensor registra los movimientos en la masa m y envía una señal que
es amplificada y llevada hasta el controlador. Este a su vez envía una señal
a la servoválvula, la cual acciona el cilindro hidráulico que ejerce una
fuerza sobre la masa m para atenuar el movimiento. Se
observa que por poseer un lazo de realimentación, las características dinámicas
del sistema pueden modificarse ajustando los parámetros del controlador. Desde
el punto de vista de la ingeniería de control, el problema de diseñar un
sistema de aislamiento activo de vibraciones, es equivalente a regular un
sistema sometido a perturbaciones que no pueden ser medidas directamente.
Figura 1 Aislamiento activo: Electroválvula
E.V.; flujos hacia el pistón q1,q2; presión en las caras del
pistón P1,P2; desplazamientos del pistón z(t); desplazamiento
del carrete de la EV xs;
perturbación vibratoria x(t); desplazamiento de la masa y(t);
constante del sensor K; señal de control u. 3.-
Aplicaciones de un sistema de control activo de vibraciones. Por
lo general la vibración producida por maquinaria ocurre a lo largo de más de
un eje. Así por ejemplo, una máquina rotativa puede generar una fuerza
vertical y un momento rotacional, los que se transmiten a los soportes
aislantes de vibración. Sin embargo, en la mayoría de los casos los
aislantes de vibración se diseñan para atenuar vibraciones a lo largo del
eje predominante. Para
concretar el aislamiento activo se debe diseñar un controlador que genere una
señal que permita al actuador eliminar o reducír al máximo las vibraciones,
de esta manera, el sistema activo puede ser visto como un sistema que
continuamente está recalculando su
capacidad de disipación según la perturbación predominante. El
aislamiento de maquinaria sobre estructuras soporte por medio de control
activo es más efectivo en el rango de bajas frecuencias, es decir, inferiores
a los 200 Hz. A estas frecuencias el control de vibración activo puede
mejorar sustancialmente la atenuación de vibración que se puede lograr con
la utilización de un sistema completamente pasivo. Para problemas de vibración
caracterizados por frecuencias superiores a los 200 Hz, los sistemas de
aislamiento pasivo convencionales son aceptables. Los
amortiguadores dinámicos de vibración son
en principio masas secundarias que se sujetan a una estructura por medio de
resortes y amortiguadores. En estos sistemas de control activo, la frecuencia
natural del sistema amortiguador se ajusta de tal manera que coincida con la
frecuencia de las vibraciones no deseadas en la estructura original. Esto
resulta un subcomponente de la estructura que absorbe la energía inercial del
sistema. Los
sistemas de amortiguación de vibraciones dinámicos activos se caracterizan
por una masa secundaria sujeta a un sistema vibratorio y conectada
directamente a un actuador y a un sistema de control electrónico. Se dice que
el sistema de control es adaptativo
para hacer referencia a la posibilidad del sistema amortiguador a cambiar sus
propiedades internas para ajustarse a los cambios en el ambiente vibratorio. Básicamente
existen tres clases de aisladores activos, los cuales se muestran en la figura
2. Cada aislador consiste de elementos pasivos y activos que generan fuerzas
de reacción para cancelar la vibración. Pueden utilizarse combinaciones de
estas clases en el diseño de un sistema de control activo. El
primero de los casos, denominado tipo inercial (véase la figura 2(a)),
utiliza una masa inercial y un actuador de control para crear una fuerza de
reacción. El segundo caso, denominado en paralelo (figura 2(b)), utiliza un
actuador de control colocado entre la fuente vibratoria y la estructura. El
tercer caso en serie (figura 2(c)), utiliza un actuador de control colocado
entre la fuente de vibración de una masa intermedia. La masa intermedia y el
soporte aislante pasivo se utilizan para aislar el actuador de control y la
fuente vibratoria de la dinámica de la estructura de soporte flexible, lo
cual supone una mejora en el comportamiento del sistema.
Figura
2: Tipos generales de asiladores activos: (a) Inercial, (b) Paralelo, (c)
Serie. La
propuesta principal es desarrollar el análisis de un aislador de vibraciones
en paralelo (figura 2(b)), debido a que el actuador de control puede ejercer
simultáneamente fuerzas relativamente grandes sobre la fuente vibratoria y
sobre la estructura de soporte, lo cual implica que se puede alcanzar una
buena atenuación a bajas frecuencias sin la necesidad de utilizar masas
inerciales o intermedias. Las
principales ventajas del uso del sistema de control activo son: ·
Movilidad,
adaptabilidad y la posibilidad de incluirse en la estructura después de la
etapa de diseño y construcción. Esto permite que el sistema amortiguador sea
montado en forma independiente sin afectar el montaje en la estructura y la
cimentación del soporte. ·
Estabilidad. ·
Bajo costo. ·
Mínimo consumo de
energía. ·
Facilidad de
implementación. 4.-
Conclusiones preliminares. La
maquinaria en vibración usualmente genera fuerzas de vibración en más de
una dirección. Por lo general se controla únicamente el movimiento en la
dirección de vibración predominante. En un caso en particular de un sistema
con un solo grado de libertad (control de vibración de una viga simplemente
apoyada), la acción de control se ejerce en el plano en movimiento, es decir,
en dirección vertical. El
modelo que se propone (figura 3) consiste básicamente de una viga recta de
longitud L, de sección transversal A, construida con un material de
propiedades conocidas (Límite de elasticidad, módulo de elasticidad,
momentos de inercia, radios de giro, rigidez). La fuente vibratoria está
representada en este caso por un cuerpo rígido en rotación (masa rígida excéntrica
rotatoria colocada en la parte superior de la viga en la figura 3). Tratándose
de una masa excéntrica, la variación de la velocidad de rotación producirá
fuerzas horizontales y verticales que harán vibrar la estructura, con modos
de vibración que dependen de todas las variables anteriores, incluyendo el
punto de localización de la fuente sobre la viga). El
control activo se representa por medio del pulsador (actuador de control eléctrico,
electroneumático o electrohidráulico en la figura 3). La fuerza de reacción
generada por el pulsador dependerá de las condiciones variables del sistema,
que es lo que se pretende analizar dando seguimiento al proyecto. Existen además
una componente mínima de control pasivo (estático), la cual está
representada por los soportes elásticos que sirven de apoyo para la fuente
sobre la viga.
Figura
3: Diagrama esquemático de control activo de una viga. 1.
Cirera, E. A. (1999) “Aislamiento activo de vibraciones mediante técnicas
de control”. XVIII Congreso Argentino de Control Automático. Buenos Aires
Argentina. 2.
Pineda Botero F. Antonio. (2003) “Control Activo de Vibraciones Mecánicas”
Comité de Maestría de Matemáticas Aplicadas del Departamento de Ciencias Básicas
de la Universidad de EAFIT. Madrid España. 3.
Naranjo-Pérez F. (1994) “Aislamiento activo de vibraciones: aplicación
de técnicas modernas de control”. Congreso de la Asociación Colombiana de
Automatización. Cali Colombia. 4.
Steidel, Robert F. “Introducción al estudio de las vibraciones mecánicas”
Compañía Editorial Continental S.A. de C.V. México. 5.
Sira-Ramirez H. (1995) “Estrategias de control en sistemas dinámicos”.
IFAC Congreso Mundial de Control y Tecnología. Sydney Australia.
Instituto
Tecnológico de Puebla – División de Estudios de Posgrado e Investigación. Av.
Tecnológico 420, Col. Maravillas, C.P. 72220. Tel:
01 (222) 2 29 88 24 , 18 y 16 Mesa
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