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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2012.tde-19112012-123823
Documento
Autor
Nome completo
Pedro Cardozo de Mello
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2012
Orientador
Banca examinadora
Adamowski, Júlio Cezar (Presidente)
Caurin, Glauco Augusto de Paula
Cruz, José Jaime da
Esperança, Paulo de Tarso Themistocles
Simos, Alexandre Nicolaos
Título em português
Sistema de automação e controle para tanques oceânicos com múltiplos atuadores
Palavras-chave em português
Controladores programáveis (ensaios)
Ondas (geração)
Ondógrafo
Tanque de provas
Resumo em português
O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de automação e controle para tanques oceânicos com múltiplos atuadores para possibilitar a geração e absorção ativa de ondas. O desenvolvimento compreende: a implementação e a validação do sistema de automação e controle para o tanque de provas; o desenvolvimento de algoritmos para a geração de ondas com batedores do tipo flap, para atender aos casos tipicamente utilizados em ensaios de estruturas oceânicas, tais como ondas regulares e irregulares, com ou sem espalhamento direcional. O sistema desenvolvido fez uso de controladores do tipo CLP (controlador lógico programável) em rede de comunicação industrial usando troca de dados síncrona, como uma solução robusta de automação. Os controladores desenvolvidos foram estudados individualmente para a devida caracterização e identificação dos limites de desempenho. Sensores de ondas ultrassônicos foram desenvolvidos e caracterizados para medir ondas nos atuadores e viabilizar a malha de controle de absorção ativa do tanque de provas. Sensores de ondas capacitivos foram desenvolvidos e calibrados para a medição de ondas nos ensaios experimentais. A validação experimental do funcionamento do sistema de atuação, controle e sensoriamento foi realizada utilizando os equipamentos desenvolvidos. Os testes foram feitos validando o funcionamento dos atuadores, a geração de ondas regulares, a geração de ondas regulares oblíquas e a geração de ondas irregulares de cristas longas. Os testes apontaram que os atuadores dos cantos do tanque, que são fixos, provocam alterações no campo de ondas, tal como a difração de ondas. As flutuações foram avaliadas onde os valores extremos podem chegar a 58% e foi apresentada uma proposta de medidas paliativas. As ondas regulares e irregulares foram validadas para que o tanque seja capaz de realizar ensaios experimentais reproduzindo as condições ambientais da costa brasileira em ensaios com modelos reduzidos. Foram realizadas medições do coeficiente de reflexão das ondas regulares e irregulares geradas no tanque de provas que mostram valores em torno de 10%. Usando a absorção ativa de ondas em duas laterais opostas do tanque, constatou-se que a segunda reflexão (re-reflexão) afeta fracamente o campo de ondas. A fim de demonstrar o potencial do controlador do tanque, foi desenvolvida uma nova técnica para focalização de energia de ondas em tanque de provas, fundamentada na técnica de TR (time reversal), para concentrar ondas em pontos específicos do espaço. Esta técnica foi originalmente proposta para aplicações usando ultrassom na forma de ondas de pressão acústica, mas, devido à semelhança do fenômeno físico, a técnica foi aplicada às ondas de superfície livre da água. Foram realizados três tipos de testes usando TR, e em todos eles a concentração de ondas foi obtida no local e no instante esperados. Concluiu-se, então, que o método funciona mesmo que existam obstáculos à propagação da onda, como difração e reflexão no interior do tanque de provas. Um dos testes estudou as ondas concêntricas geradas por um objeto lançado contra a água; a aplicação de TR resultou em uma onda concentrada no ponto de lançamento. Os fenômenos observados podem servir de paradigma para comparações numéricas e estudos de ondas em meios dispersivos.
Título em inglês
Automation and control system for oceanic wave tank with multiple actuators.
Palavras-chave em inglês
Programmable controllers
Test tank (testing)
Wave height meter
Waves (generation)
Resumo em inglês
This work discusses the development of an automation and control system for ocean tanks with multiple actuators to enable the generation and active absorption of waves. The development includes: implementation and validation of system automation and control to the ocean wave tank, the development of algorithms for generating waves with flap type wave generator for dealing with cases typically used in tests of ocean structures, such as regular waves and irregular, with or without directional spreading. The developed system used PLC controllers (programmable logic controller) and an industrial communication network with synchronous data exchange, which is a robust automation system solution. The developed controllers were individually studied for proper performance characterization. Ultrasonic wave sensors have been developed and characterized to measure waves in the face of actuators and enable the control loop active absorption of the ocean wave tank. Capacitive wave sensors have been developed and calibrated to measure wave in experimental tests. The experimental validation of system actuation, control and sensing system was performed. Validation tests of the operation of the actuators under regular wave generation, irregular wave generation and oblique regular waves were done. The tests showed that the fixed actuators of the corners of the tank cause changes in the wave field such as diffraction waves. The spatial wave field fluctuations can reach 58% and correction procedures were proposed. Regular and irregular waves were validated for the tank to be able to perform experimental tests reproducing the environmental conditions of the Brazilian coast in reduced model tests of offshore structures. Measurements of the reflection coefficient of regular and irregular waves generated in the test tank indicated values around 10%. Using active absorption of waves in two opposite sides of the tank, it was realized that the re-reflection weakly affects the wave field. In order to demonstrating the innovative potential applications of tank, it was developed a new technique to focus wave energy, based on the technique of TR (time reversal) to concentrate waves at specific points in space. This was originally proposed for applications using ultrasound acoustic pressure waves, but due to the similarity of the physical phenomenon, the technique was applied to the waves in the free water surface. Three types of tests were carried out and in each TR concentration wave was obtained in the expected location and the expected time. It was noticed that the method also works even with obstacles to wave propagation, such as diffraction and reflection inside the ocean wave tank. An object thrown against the water, creating concentric waves was studied and after the application of TR resulted in a wave concentrated at the same splash point. The observed phenomena can be considered as a paradigm for numerical comparisons and studies of waves in dispersive media.
 
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Tese_PCMELLO_REV.pdf (10.07 Mbytes)
Data de Publicação
2012-11-27
 
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