Palabras clave: Aislamiento activo – Aislamiento pasivo.

Analysis and control of vibrations using active isolation.

Abstrac: This article show a summary about control system of vibrations using active isolation in mechanics systems. The development is showed with a freedom degree mechanic system which uses an electrohydraulic performer.

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 x_s; 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.

Bibliografía

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.

Ing. Jorge Carro Suárez

Asesor: M.C. Epifanio Villordo Avila

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

www.posgrado.itpuebla.edu.mx

Mesa 3.