Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica - Opção de Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

O presente trabalho trata da modelagem matemática de um atuador pneumático responsável pelo acionamento de uma bancada para ensaios de estruturas mecânicas, a qual será utilizada no projeto de título “Concurso de Pórticos” (processo CNPq nº409998/2013-3, Chamada nº 18/2013 MCTI/CNPq/Secretaria de Políticas da Mulher-PR/Petrobras - Meninas e Jovens Fazendo Ciências Exatas, Engenharias e Computação). As contribuições principais deste trabalho são a modelagem e identificação das características não lineares do atrito no atuador utilizado para a aplicação de forças, bem como a sistematização do modelo matemático completo, sua simulação computacional e validação experimental. Os atuadores pneumáticos são utilizados na maioria das instalações industriais e nos campos da automação e da robótica pelas diversas vantagens que o caracterizam. Dentre estas vantagens considera-se uma tecnologia de baixo custo, manutenção fácil, boa relação peso/potência, rapidez de resposta e principalmente uma tecnologia limpa, que não polui o meio ambiente. Porém, para atuadores pneumáticos a modelagem matemática é complexa quando comparada a outros tipos de acionamentos, pois apresentam limitações no controle decorrente das características não lineares inerentes ao sistema. Estas características não lineares resultam da alta compressibilidade do ar e das não linearidades presentes em sistemas pneumáticos, tais como o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da válvula e sua zona morta, além do atrito nas vedações do cilindro linear. A modelagem matemática é muito importante para entendimento e previsão do comportamento dinâmico de atuadores pneumáticos e pode contribuir para a adequada aplicação e desempenho em sistemas automáticos, principalmente na definição de estratégias de controle. Neste trabalho, desenvolveu-se a formulação de um modelo matemático não linear completo de 5ª ordem que representa o comportamento dinâmico do atuador pneumático. Com o objetivo de comparação com o modelo desenvolvido, apresenta-se também um modelo matemático não linear de 3ª ordem, validados experimentalmente. Por fim, foram realizados testes de controle de força em malha aberta variando-se a pressão de suprimento do sistema. Os resultados obtidos ilustram as características do modelo matemático desenvolvido. / 94 f.

Este trabalho trata da modelagem matemática e da identificação experimental das características não lineares em um protótipo de atuador pneumático do tipo cabo autoguiado, assim como a simulação computacional e a validação experimental do modelo proposto. Prevê-se a aplicação deste servoposicionador pneumático de baixo custo numa estufa agrícola robotizada. Atuadores pneumáticos tem sido um novo sistema de atuação emergente para a robótica por vários motivos, entre eles a interação segura com o meio ambiente ou humano e a alta densidade de energia, mas que apresentam algumas características de comportamento dinâmico que dificultam seu controle, tais como a compressibilidade do ar, a relação não linear da vazão nos orifícios da servoválvula de controle e o atrito nos atuadores. Para a descrição do comportamento dinâmico do atuador pneumático é proposto um modelo matemático não linear de 5ª ordem que apresenta a combinação do modelo da servoválvula com a do cilindro do tipo cabo, incluindo-se as não linearidades da zona morta, da vazão nos orifícios da servoválvula, da dinâmica das pressões nas câmaras do cilindro e do atrito dinâmico. Os resultados comparativos das simulações computacionais e dos testes experimentais validam o modelo matemático proposto e ilustram as características do protótipo desenvolvido para o atuador pneumático de cabo autoguiado construído com materiais poliméricos. Os resultados do controle clássico de posição demonstram que o protótipo atende às necessidades de resposta dinâmica para aplicação no acionamento de estruturas robóticas para estufas agrícolas. Essa pesquisa tem o propósito de contribuir com o estudo dos atuadores pneumáticos visando à aplicação na mecanização da agricultura de precisão de baixo custo, bem como contribuir didaticamente com futuras pesquisas. / 115 f.