Resumo: As estruturas constituídas por materiais inteligentes são uma realidade em diversos campos do conhecimento, em específico nas áreas de robótica, automobilismo, aeroespacial e na engenharia civil. A utilização de materiais inteligentes nessas estruturas permite-lhes responder a diferentes estímulos do meio ambiente de forma automática, monitorando a própria integridade e agindo para atenuar vibrações. Nesse contexto, este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema para controle de vibrações em estruturas inteligentes por meio de uma arquitetura de processamento paralelo que monitora periodicamente a estrutura e, em caso de dano, reconfigura o controlador para mitigar os efeitos do dano no desempenho. O monitoramento é feito utilizando a técnica por subespaços que compara dois modelos. O primeiro é considerado como modelo de referência e representa a estrutura saudável, enquanto, o segundo é identificado continuamente, utilizando uma técnica de realização de autossistema (ERA, de \textit{Eigen System Realization Algoritm}). A partir da distância euclidiana entre um vetor pertencente ao subespaço do modelo de referência e outro vetor pertencente ao subespaço do modelo identificado, é possível acompanhar a severidade do dano e, quando necessário, atualizar os ganhos do controlador. Essa metodologia é implementada utilizando uma arquitetura em rede compreendida por um microcontrolador Raspberry Pi atuando como \textit{gateway} local, comandando os sensores e atuadores da estrutura. Além disso, utiliza-se um kit SoC como servidor, denominado DE10-Nano, que contém um processador ARM e um FPGA encapsulado no mesmo chip. O Raspberry Pi envia ao DE10-Nano os parâmetros de Markov da estrutura, a partir do processamento dos sinais de vibrações. Em seguida, o kit DE10-Nano identifica o modelo da estrutura flexível, calcula a distância entre os vetores pertencentes aos subespaços do modelo identificado e do modelo de referência, reprojeta os ganhos do controlador e, caso necessário, os envia ao Raspberry Pi, tornando-o habilitado a realizar o controle da vibração estrutural. Com o intuito de acelerar o cálculo numérico presente na técnica de identificação ERA, o processador ARM requisita o FPGA, programado em OpenCL, para executar o cálculo de algumas funções em paralelo, como a construção das matrizes de Hankel, a decomposição em valores singulares e a multiplicação matricial. Para a validação da proposta de arquitetura e a metodologia de controle tolerante a danos, foi utilizado uma estrutura vertical flexível que simula um prédio alto constituído de uma massa ativa em seu topo. Um motor de corrente contínua é utilizado para mover a base da estrutura e um outro motor similar é aplicado para deslocar a massa. O sistema de controle é projetado utilizando a realimentação de estados, estimados com um observador de Luenberger. Assim, o controlador gera uma trajetória específica para a massa ativa, visando minimizar a influência do distúrbio na vibração estrutural. Em caso de danos provocados por fadiga, por exemplo, o sistema de controle identifica a mudança na dinâmica estrutural e atualiza automaticamente o controlador e o observador, garantindo a estabilidade e mitigando os efeitos do dano no desempenho. Os resultados experimentais mostram a eficácia da abordagem proposta em identificar o modelo estrutural, detectar a presença de danos e reduzir a vibração quando a estrutura está sujeita a perturbações e danos Ver menos

Abstract: Structures made up of smart materials are a reality in several fields of knowledge, specifically in the areas of robotics, automobile industry, aerospace, and civil engineering. The use of smart materials in these structures allows them to respond automatically to different stimuli from the environment, monitoring their own integrity and acting to attenuate vibrations. In this context, this work proposes the development of a framework to control vibrations in smart structures using a parallel processing architecture that periodically monitors the structure and, in the case of damage, reconfigures the controller to mitigate damage effects on the performance. The monitoring process is done using a subspace technique that compares two models. The first model is the reference model and represents the healthy structure while the second model is identified continuously, employing the eigen system realization algorithm (ERA). From the Euclidean distance between a vector belonging to the subspace of reference model and other vector belonging to the subspace of identified model, it is possible to monitor the damage severity and, when necessary, reconfigure the controller's gains. This methodology is implemented using a network architecture comprised of a Raspberry Pi microcontroller acting as a local gateway, controlling the structure's sensors and actuators. Additionally, a system-on-a-chip kit is used as a server, called DE10-Nano, which contains an ARM processor and an FPGA, both encapsulated in the same chip. The Raspberry Pi sends the structure Markov parameters to the DE10-Nano, obtainded from the processing of the vibration signals. Then, the DE10-Nano kit identifies the flexible structure model, computing the Euclidean distance between the vectors belonging to the subspaces of the identified model and of the reference model, redesigning the controller and observer gains, and, if necessary, sends them to the Raspberry Pi, enabling it to perform the structural vibration control. In order to speed up the numerical calculation present in the ERA identification technique, the ARM processor requests the FPGA, programmed in OpenCL, to execute the calculation of some functions in parallel such as the construction of Hankel matrices, the decomposition into singular values, and matrix multiplication. For the validation of the proposed architecture and damage-tolerant active control methodology, a flexible vertical structure is used to simulate a tall building with an active mass on it. A direct current motor is used to move the structure base and another similar motor is used to move the active mass. The control system is designed using the state feedback strategy, estimated with a Luenberger observer. Thus, the controller generates a specific trajectory for the active mass, aiming to minimize the disturbance influence on the structural vibration. At the damage occurrence caused by fatigue, for example, the control system identifies the change in the structural dynamics and automatically reconfigures the controller and the observer, ensuring stability and mitigating the damage effects on the performance. The experimental results show the effectiveness of the proposed approach in identifying the structure model, detecting the presence of damage and reducing vibration when the structure is subject to disturbances and damage Ver menos