Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46553
ORCID:  http://orcid.org/0000-0003-3163-9862
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Title: Novas contribuições na aplicação do filtro de Kalman aumentado para o balanceamento de rotores
Alternate title (s): New contributions to the application of the augmented Kalman filter for rotor balancing
Author: Rezende, Stanley Washington Ferreira de
First Advisor: Cavallini Júnior, Aldemir Aparecido
First coorientator: Moura Júnior, José dos Reis Vieira de
First member of the Committee: Lobato, Fran Sergio
Second member of the Committee: Silva, Samuel da
Third member of the Committee: Steffen Jr, Valder
Fourth member of the Committee: Teloli, Rafael de Oliveira
Summary: A crescente complexidade e criticidade dos sistemas industriais têm impulsionado o desenvolvimento de metodologias avançadas para o monitoramento e diagnóstico de falhas em máquinas rotativas, essenciais para garantir a confiabilidade operacional desses equipamentos. Nesse cenário, o sensoriamento virtual (VS – \textit{Virtual Sensing}) desponta como uma solução promissora frente às limitações técnicas e econômicas do uso exclusivo de sensores físicos, permitindo, por meio de modelos matemáticos e algoritmos de estimação, inferir grandezas não acessíveis diretamente, o que amplia a capacidade de supervisão e otimiza recursos. Ao mesmo tempo, entre os principais desafios enfrentados na rotodinâmica, destaca-se o desbalanceamento de rotores, dada como uma anomalia recorrente causada pela distribuição assimétrica de massa em torno do eixo de rotação, que induz forças centrífugas indesejadas, compromete a estabilidade dinâmica, eleva vibrações e acelera o desgaste dos componentes. Nesse contexto, o balanceamento torna-se uma medida estratégica para mitigar falhas, prolongar a vida útil dos equipamentos e reduzir custos com manutenção. Logo, com o objetivo de integrar o sensoriamento virtual a práticas eficazes de manutenção preditiva, esta Tese propõe uma abordagem baseada na aplicação do Filtro de Kalman Aumentado (FKA) para estimar, em tempo quase real, os estados operacionais não diretamente mensuráveis durante o funcionamento da máquina, reduzindo a dependência de sensores físicos e otimizando os processos de balanceamento. Ademais, para viabilizar a aplicação da metodologia em diferentes contextos industriais, desenvolveu-se uma API em Python dedicada à estimação das forças de correção necessárias ao balanceamento de rotores flexíveis. Em seguida, considerando as incertezas inerentes à modelagem e às medições experimentais, foi incorporado o Método de Otimização por Evolução Diferencial (ED) como técnica de ajuste automático dos parâmetros do filtro, conferindo maior robustez ao estimador e reduzindo a necessidade de conhecimento técnico especializado. A eficácia da abordagem foi validada por meio de estudos experimentais sob diferentes condições de incerteza, como variações nos parâmetros de estimação, qualidade do modelo e ruídos de medição, demonstrando sua confiabilidade e reforçando seu potencial como contribuição relevante para o avanço das práticas de monitoramento e manutenção preditiva em máquinas rotativas.
Abstract: The increasing complexity and criticality of industrial systems have driven the development of advanced methodologies for monitoring and fault diagnosis in rotating machinery, essential for ensuring the operational reliability of such equipment. In this context, virtual sensing (VS) has emerged as a promising solution to overcome the technical and economic limitations of relying solely on physical sensors. By means of mathematical models and estimation algorithms, virtual sensing enables the inference of non-directly measurable quantities, thereby enhancing monitoring capabilities and optimizing resource utilization. At the same time, among the main challenges in rotordynamics, rotor unbalance stands out as a common fault caused by an asymmetric mass distribution around the rotational axis, which induces undesirable centrifugal forces, compromises dynamic stability, increases vibrations, and accelerates component wear. In this regard, balancing becomes a strategic measure to mitigate failures, extend equipment lifespan, and reduce maintenance costs. Thus, aiming to integrate virtual sensing with effective predictive maintenance practices, this thesis proposes an approach based on the Augmented Kalman Filter (AKF) to estimate, in near real-time, non-directly measurable operational states during machine operation, reducing dependence on physical sensors and optimizing balancing procedures. Furthermore, to enable the application of this methodology across diverse industrial contexts, a dedicated Python API was developed for estimating the correction forces required for flexible rotor balancing. Additionally, considering the inherent uncertainties in modeling and experimental measurements, the Differential Evolution (DE) optimization method was incorporated as an automatic tuning technique for the filter parameters, enhancing the estimator's robustness and reducing the need for specialized technical knowledge. The effectiveness of the proposed approach was validated through experimental studies under various uncertainty conditions, including variations in estimation parameters, model accuracy, and measurement noise, demonstrating its reliability and reinforcing its potential as a significant contribution to advancing monitoring and predictive maintenance practices in rotating machinery.
Keywords: Filtro de Kalman Aumentado
Balanceamento de Rotores
Sensoriamento Virtual
Máquinas rotativas
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Subject: Engenharia mecânica
Inteligência artificial
Sensoriamento remoto
Rotores
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: REZENDE, Stanley Washington Ferreira de. Novas contribuições na aplicação do filtro de Kalman aumentado para o balanceamento de rotores. 2025. 176 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.407
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2025.407
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/46553
Date of defense: 10-Jul-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
Appears in Collections:TESE - Engenharia Mecânica

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