Líneas de investigación Sistemas industriales / Actuadores Inteligentes

Actuadores inteligentes

La definición general de actuadores inteligentes (smart actuators) hace referencia a la integración junto con el elemento actuador de las capacidades de sensorización, procesamiento y comunicación, lo cual facilita a su vez la integración posterior del actuador en el sistema completo.

Dentro de esta definición amplia, la línea de investigación que se plantea en el ITAINNOVA aborda los siguientes aspectos:

  •  Control activo de vibraciones en estructuras inteligentes. Los actuadores inteligentes, pueden integrarse completamente en una estructura dando lugar a las denominadas smart structures. De esta forma, combinando las capacidades de actuación, sensorización, procesamiento y comunicación de los actuadores estratégicamente distribuidos en la estructura, se pueden diseñar algoritmos de control para reducir las vibraciones estructurales que dan lugar a problemas de precisión en el funcionamiento, de daño a fatiga o de confort, dependiendo de la aplicación. Adicionalmente, con metodologías similares, se pueden aumentar las funcionalidades de la estructura mediante active shape control donde la propia estructura se convierte en un actuador o puede cambiar su forma para reaccionar a estímulos exteriores
  • Actuadores basados en nuevos materiales, que utilizan en su diseño una nueva generación de materiales que poseen la capacidad de cambiar sus propiedades físicas de una manera concreta como respuesta a estímulos determinados y controlables. En particular, es de especial interés la investigación en nuevos conceptos de productos utilizando materiales que actúan como transductores entre energía eléctrica y mecánica y que pueden utilizarse tanto para actuadores accionados eléctricamente, como para “energy harvesters” de la energía de vibraciones y para sensores de la deformación mecánica. Entre sus características más atractivas se encuentran la rapidez de respuesta, la eficiencia energética, la robustez, la prácticamente infinita resolución en posicionado y la posibilidad de miniaturización y compactación. Dependiendo de las características del material, las aplicaciones van desde actuadores de alta rigidez para micro y nanoposicionado basados en cerámicas (p.e. PZT), hasta actuadores y sensores de bajo coste basados en materiales poliméricos y metálicos (p.e PVDF,  Dielectric Electro Active Polymers (DEAP) o Shape Memory Alloys (SMA))) para robótica y microfluídica.
  • Herramientas de simulación multidominio para diseño de actuadores inteligentes. Para el diseño de los actuadores inteligentes es básica la simulación tanto del actuador como del sistema completo del que forma parte. La simulación dinámica permite agrupar en un único entorno los aspectos relevantes de los distintos dominios físicos y de software que intervienen en el sistema (mecánica, hidráulica, termodinámica, actuadores eléctricos y piezoeléctricos, software y hardware de control,…), para el análisis del funcionamiento previo a la fabricación de prototipos. La generación de conocimiento en esta línea va en la dirección de la integración eficiente de los resultados de otras tipologías de simulación (CFD, MEF estructural o electromagnetismo, simulación multifísica, …) o de ensayos en componentes, en el modelo de sistema completo.

 Durante los últimos años la investigación de ITAINNOVA en este ámbito se ha centrado en la aplicación de actuadores piezoeléctricos cerámicos a nanoposicionado, seguimiento de trayectorias y control activo de vibraciones. En particular, se han desarrollado metodologías de diseño del sistema basadas en simulación incluyendo el diseño de las estructuras mecánicas flexibles sobre las que se integran los actuadores piezoeléctricos y, en  control, se han realizado diversas publicaciones sobre la compensación del comportamiento no lineal de los actuadores y el control basado en platitud para mejorar su precisión. Además, del trabajo en actuadores piezoeléctricos cerámicos, dentro de la línea se han desarrollado proyectos sobre:

  • la viabilidad de la aplicación en actuadores de materiales inteligentes de bajo coste como son los Dielectric Electroactive Polymers y los Shape Memory Alloys ;
  • la integración de materiales piezoeléctricos de tipo Macro Fiber Composites (MFC) en estructuras de material compuesto, especialmente interesante en aplicaciones aeronáuticas.;
  • el desarrollo de microválvulas utilizando matrices de actuadores piezoeléctricos
  • el control semiactivo de vibraciones utilizando amortiguadores magnetorreológicos, para su aplicación a suspensiones de asiento en maquinaria y a ascensores de alta velocidad.
  • el control activo de vibraciones en la transmisión de vehículos eléctricos para mejorar el confort y la estabilidad de controladores ABS/TC

 En cuanto a simulación dinámica multidominio,   se han realizado publicaciones científico-técnicas en simulación multidominio de sistemas con actuadores piezoeléctricos y en técnicas de reducción de orden para incorporar modelos térmicos MEF a modelos de simulación multidominio.

 Alcance:

Actualmente, dentro de la línea de investigación se desarrollan actividades en:

  • El desarrollo de algoritmos de control para reducción de vibraciones: en estructuras, mediante la aplicación de actuadores de tipo MFC y de actuadores inerciales, y en transporte, con el control de motores para transmisiones de vehículo eléctrico y el uso de amortiguadores semiactivos en suspensiones de ascensor.
  • La aplicación de materiales inteligentes de tipo cerámico, polimérico y metálico como actuadores/sensores en aplicaciones de control de fluidos (automoción, medicina) y robótica, tanto desde el punto de vista de diseño electromecánico como del de control.
  • Desarrollo de metodologías para la inclusión de modelos de orden reducido de componentes en modelos de simulación dinámica multidominio del sistema completo. Las aplicaciones principales son la modelización detallada y el posterior control de sistemas en fabricación, automoción, aeronáutica y robótica.
Soluciones
Equipamientos singulares
  • Multi-axis shaker table (MAST), vibrador electrodinámico, equipos de metrología dimensional y caracterización electro-mecánica de materiales, software de simulación y control, software y hardware para prototipado rápido de control y hardware-in-the-loop
Patentes

System und Verfahren zur Antriebs- und Bremsmomentregelung in Elektrofahrzeugen mit Einzelradantrieb

Ivanov, Augsburg, Shyrokau, Savitski,Orus, Bouso, Rodríguez-Fortun, Theunissen, Janssen, Steenbeke TU-Ilmenau, Flanders Drive, ITA

DP 102014003992.7 Fecha de presentación 14.03.2014

Valvola di controllo di un fluido

Orús, Javier; Núñez, José Luis; Bicelli, Sebastian; Zecchini, Marco; Peña, José Carlos.

BS2010A000166, Fecha de presentación: 2010

Valvola di controllo di un fluido

Orús, Javier; Núñez, José Luis; Bicelli, Sebastian; Codeluppi, Simone; Peña, José Carlos.

BS2010A000166, Fecha de presentación: 2010

Proyectos I+i financiación pública

CELLMICROCART: Design, Development and Validation of Cell Culture Cartridges Based on Polymer Microsystem Technology for the Mimicking of “In-Vivo“ Mechanical, Chemical and Thermal Conditions

PLAN NACIONAL DE I+D. Proyectos de Investigación Fundamental No Orientada 2011. Ref. DPI2011-28262-C04-01

 

E-VECTOORC: Electric-Vehicle Control of Individual Wheel Torque For On- And Off-Road Conditions

FP7 Information and Communication Technologies. FP7-2011-ICT-GC. Ref 284708

 

RICAT+: Red De Investigación Cooperativa Aplicada Transpirenáica: Extensión A Mecatrónica Y Tribología

INTERREG IVa 2009

Publicaciones de artículos Científico-Tecnológicos

Model-based mechanical and control design of a three-axis platform

J.M.Rodriguez-Fortun, J.Orus, J.Alfonso, J.R.Sierra, F.Buil, F.Rotella, J.A.Castellanos

Mechatronics 22.7 (2012): 958-969

 

Flatness based active vibration control for piezoelectric actuators

J.M.Rodriguez-Fortun, J.Orus, J.Alfonso, F.Buil, and J.A.Castellanos

IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, 2011, p. 10.1109/TMECH.2011.2166998

 

Design and Testing of ABS for Electric Vehicles with Individually Controlled On-Board Motor Drives

V. Ivanov, B. Shyrokau, D. Savitski, J. Orus, R. Meneses, J.M. Rodríguez-Fortún, K. Janssen

SAE Technical Paper. No. 2014-01-9128

 

General bond graph model for piezoelectric actuators and methodology for experimental identification

J.M.Rodriguez-Fortun, J.Orus, F.Buil, and J.A.Castellanos

Mechatronics, 20 2010, pp. 303–314

 

Enhancement of the thermal design of bitumen emulsion tanks by analytical equations, CFD models and experimental tests

Mario Miana, José Ramón Valdés, Carlos Millan, Carlos Bernad, Olga Cantín, Jesús María Sánchez

Applied Energy, 88(11), 4106-4112

Congresos y Ponencias

Active vibration control for torsional oscillations in powertrains for fully electric vehicles

J. Orus, J. Theunissen, R. Meneses, J.M. Rodriguez-Fortun

FISITA Maastrich June 2014

 

Active vibration control for electric vehicle compliant drivetrains

J.M.Rodriguez, R. Meneses, J. Orus

Industrial Electronics Society, IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE (pp. 2590-2595)

 

Design of semi-active roller guides for high speed elevators

R.Monge, A.Gómez, J.A.Roig, P.González, J.M.Rodríguez-Fortún

11th International Conference on Vibration Problems. Lisboa Sept 2013

 

Model-free control of a 3-DOF piezoelectric nanopositioning platform

J.M.Rodriguez-Fortun, F. Rotella, J. Alfonso, F. Carrillo, J. Orus

Conference on Decision and Control, 2013

 

Hysteresis in piezoelectric actuators: Modeling and compensation

J.M.Rodriguez-Fortun, J.Orus, J.Alfonso, F.Buil, and J.A.Castellanos

IFAC, September 2011

 

Control of a multi-axis platform for metrological purposes using differential flatness

J.M.Rodriguez-Fortun, J.Orus, J.Alfonso, F.Rotella, and J.A.Castellanos

50th IEEE Conference on Decision and Control and European Control Conference, december 2011

 

Nonlinear active vibration control for piezoelectric actuators

J.M.Rodriguez-Fortun, J.Orus, J.Alfonso, and J.A.Castellanos

American Control Conference, 46 2010, pp. 744–749.

 

Use of cosimulation and model order reduction techniques in automotive industry. Application to an Electric Parking Brake (EPB)

E. Bernal, J.M. Rodríguez-Fortún, I. Nadal, J. Orús, T. Puetz

European Automotive Congress, EAEC Valencia 2011.

 

Real-time simulation of hydraulic control unit for brake systems

J. Orús, J. M. Rodríguez-Fortún, T. Pütz, W. Schwanke

European Automotive Congress. EAEC Bratislava 2009

 

Multibody simulations of a brake booster system by means of finite element analysis”

F. J. Martínez, J. M. Royo, I. Nadal, J. J. Sánchez, J.Orús, J. Noack, B. Kuhnhert

European Automotive Congress. EAEC Bratislava 2009

 

Development of Design Tool for Brake Boosters based on Continuous System Simulation

J. Orús, J. R. Valdés, I. Nadal, J. L. Pelegay, M. Giménez, T. Pütz

World Automotive Congress. FISITA Barcelona 2004