[pt] Este trabalho apresenta uma solução para o problema de posicionamento automático preciso de um corpo em um plano horizontal, atendendo à restrição de não gerar campo magnético significativo junto ao objeto a ser posicionado. A motivação do trabalho reside na necessidade, por parte do Laboratório de Supercondutividade Aplicada e Magnetismo (LSAM) do Departamento de Física, de um posicionador para experimentação em magnetocardiografia. Inicialmente são discutidas as tecnologias de automação aplicáveis ao problema, justificando-se a opção por um sistema pneumático de atuação. O sistema posicionar montado é então descrito em profundidade, abordando-se os aspectos relacionados à geometria do problema em questão, materiais, montagens mecânicas e o sistema de controle digital. A seguir é apresentada uma abordagem matemática para o problema de controle de posição em malha fechada, visando à definição de uma lei de controle aplicável ao caso em estudo. Alguns resultados analíticos são obtidos para controle de sistema caracterizados por atrito Coulombiano, ao mesmo tempo em que se desenvolve um modelo para simulação numérica da dinâmica de movimento do posicionador. Com base nestas duas ferramentas, é apresentada uma discussão sobre a aplicabilidade dos controladores da família PID ao caso específico considerado. Por fim, resultados reais obtidos com a lei de controle proposta são comparadores aos resultados simulados, mostrando-se a validade e a utilidade do modelo teórico. / [en] This thesis presents a solution or the problem of automatic precise positioning of na object in the horizontal plane, not generating any significative magnetic field in the region close to the object to be positioned. The study presented was developed as part of an effort to fulfill a necessity for a positioning system for magnetocardiography experimentation in the Magnetism and Applied Supercondutivity Laboratory of the Departament of Physics of this University. A discussion over applicable automation option is presents, along with a justification for a choice of a pneumatic actuating system. The whole precise positioning assembly is described in detail, including subjects such as movement geometry, material, mechanical structures and the digital control system. A mathematical study of the closed of the closed loop position control problem is then developed, aiming to define a control algorithm applicable to the problem. Algebraic analysis is used to describe the influence of Coulomb friction over the equations of motion of a proportional position control system, while a model for simulations experiments of the assembly´s positioning dynamics is developed. These tools are used as the basis for a discussion over the applicability of the PID controlers in the case in study. Moreover, the behavior of the proposed algorithm is recorded and compared to the results of the simulations, showing the correctness and the utility of the theoretical analysis.

[pt] No presente trabalho desenvolveu-se o projeto básico de um Simulador de Movimentos em Escala, que é um equipamento utilizado para reproduzir as excitações de base provocadas pelo pavimento sobre o qual um veículo em escala trafega. Utilizando modelos consagrados na literatura, obteve-se a representação matemática do Simulador, que é tratado como 3 subsistemas acoplados entre si, mediante a aplicação de um procedimento baseado no Fluxo de Potência. Para o tratamento dos modelos em escala é empregada a Teoria de Similaridade, através da qual são determinados números adimensionais que relacionam o sistema real com o seu equivalente reduzido ou ampliado. São apresentadas 3 metodologias, das quais duas tradicionais, e uma outra que é conhecida como Método por Inspeção. Aplicam-se estes procedimentos a modelos de veículos com 1, 2, 4 e 7 graus de liberdade. Emprega-se também a Análise Dimensional para achar um modelo em escala do Simulador e do sistema completo, isto é um conjunto Simulador – Veículo acoplado. Para todos os casos são realizadas simulações para os modelos real e em escala, utilizando parâmetros típicos encontrados na literatura ou em manuais de operação de equipamentos semelhantes, com o objetivos de verificar o comportamento dos sistemas, determinar a influência da redução ou ampliação do tamanho, e validar os procedimentos empregados. / [en] In this work a Scale Ground Simulator was developed. This is na equipment used to reproduce the base motion in a vehicle, due the Road where it is running. Using a procedure based on the Power flow, coupling the 3 main Simulator subsystems, a mathematical representation for the Simulator was obtained, from classical models mentioned in the bibliography. The scale models treatment was perfomed using the Similarity Theory, that permits the determination of non dimensional numbers relating the real system with its equivalent reduced or amplified. It was presented 3 methodologies, two of them are traditional and other one which is known as Inspection Method. These procedures were applied to 1, 2, 4, and 7 degrees of freedom vehicle models. Dimensional Analysis is also used to find scale models for the Simulator and for the complete system, i.e. the coupled set Simulator – Vehicle. Simulations were made for all situations, in real and scale models, using typical parameters found in literature or in equipment operation manuals, aiming to verify the systems performance, to determine the size reduction or amplification influence of and to validate the procedures presented.

[pt] Sistemas pneumáticos são equipamentos leves, baratos, limpos e de baixo risco, sendo apropriados para aplicações que necessitem de força e rapidez de resposta. Por outro lado, esse tipo de sistema apresenta restrições devido à principal característica do ar: sua compressibilidade confere efeitos não lineares ao sistema, desde um escoamento turbulento pelas válvulas de controle até sua atuação dentro do cilindro – a qual inclui alta sensibilidade ao atrito e volumes inativos durante o curso do pistão. Essas características particulares dificultam seu controle e posicionamento preciso e limitam sua aplicação, principalmente considerando seu emprego em um mecanismo tipo Plataforma de Stewart em escala reduzida. No presente trabalho apresenta-se a modelagem, simulação computacional e análise experimental do comportamento dinâmico de um sistema de atuação pneumático que inclui uma válvula de controle de vazão não convencional, composta de quatro válvulas proporcionais, e um atuador com haste simples de dupla ação. O objetivo deste trabalho é, baseado nos resultados experimentais, determinar as características desses componentes para desenvolver estratégias de controle em tempo real capazes de minimizar os efeitos das não linearidades típicas, visando sua utilização no mecanismo anteriormente mencionado. / [en] Pneumatic equipment is lightweight, cheap, clean and low-risk, being suitable for applications that require strength and high responsiveness. Nevertheless, this type of system has some limitations due to the air main feature: its compressibility results in nonlinear effects in the system, from the turbulent flow control valves to its performance inside the cylinder - which includes high sensitivity to friction and dead volumes during the stroke piston. These particular characteristics make its control and precise positioning difficult, limiting its application, especially when considered its use in a mechanism such as a Stewart Platform in a reduced scale. The present paper presents the modeling, computational simulation and experimental analysis of the dynamic behavior of a pneumatic actuation system that includes an unconventional flow control valve, consisting of four proportional valves, and a double acting single rod actuator. The final goal of this work is to, based on experimental results, determine the characteristics of these components in order to develop real-time control strategies which can minimize the effects of those typical nonlinearities for their use in the mechanism mentioned above.