Diseño, implementación y validación experimental de un AMD para la mitigación de vibraciones en estructuras esbeltas utilizando un procesador de bajo coste

Abstract

This Master Thesis is framed within the research line focused on vibration mitigation in slender structures directed by Dr. Antol n Lorenzana. Precisely, the work is aimed at the development, design and implementation of an active mass damper (AMD) for vibration mitigation in footbridges using a standard actuator (APS 400) commanded by a low-cost processor (NI myRIO-1900). The control law has been experimentally validated on a 13.5-meter footbridge at laboratory scale and has been formulated assuming a reduced mechanical model of the structure just considering its rst mode. After the dynamic identi cation of the actuator, the procedure consisted in the experimental characterization and identi cation of the modal properties of the structure (natural frequency and damping ratio) associated to its rst mode. Once the equivalent state space system of the structure was obtained, the control law design, based on state feedback, was developed and deployed in the low-cost controller. Finally, the system was implemented on the structure and its experimental validation tests were carried out. The system performance has been evaluated using di erent indicators both in the frequency and time domain and under di erent loads scenarios, including pedestrian transits to demonstrate the feasibility and robustness of the proposed system. Finally, the possibility of recalibrating the control system has also been included in order to optimize its performance under possible structural modi cations.

El presente Trabajo Fin de Máster se enmarca dentro de la línea de investigación sobre mitigación de vibraciones en estructuras esbeltas dirigida por el doctor Antolín Lorenzana. Concretamente el trabajo se centra en el desarrollo, diseño e implementación de un sistema AMD (de sus siglas en inglés, Active Mass Damper, literalmente Amortiguador Inercial Activo) para la mitigación de vibraciones en pasarelas peatonales empleando un actuador estándar (APS 400) comandado por un procesador de bajo coste (NI myRIO-1900). La ley de control se ha validado experimentalmente sobre una pasarela de 13.5 m a escala de laboratorio y ha sido formulada asumiendo un modelo mecánico reducido de la estructura considerando únicamente su primer modo.

Tras la identificación dinámica del actuador, el procedimiento consistió en la caracterización e identificación experimental de las propiedades modales de la estructura (frecuencia natural y coeficiente de amortiguamiento) asociadas a su primer modo. Una vez obtenido el sistema de espacio de estados equivalente de la estructura, se desarrollo´ el diseño de la ley de control, basada en la realimentación del estado, y se desplego´ en el controlador de bajo coste. Finalmente, el sistema fue implementado en la estructura y se llevo´ a cabo su validación experimental.

Se ha evaluado el rendimiento del sistema utilizando diferentes indicadores tanto en el dominio frecuencial como en el temporal y ante diferentes situaciones de carga, incluyendo tránsitos peatonales para demostrar la viabilidad y robustez del sistema propuesto. Por último, también se ha incluido la posibilidad de recalibrar el sistema de control para que funcione de forma optimizada ante posibles cambios o modificaciones de la estructura.