Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T22:51:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 196507.pdf: 2078860 bytes, checksum: 9f49955a113dc0547607d084d1958fc6 (MD5) / Este trabalho tem como enfoque o estudo do atrito de um atuador hidráulico e sua compensação em malha fechada com o controlador em cascata fixo. Mostra-se de forma teórica que o atrito causa erros de seguimento de trajetória com o controlador em cascata fixo e que estes erros são reduzidos quando a compensação de atrito é realizada. Utiliza-se o modelo do coeficiente de atrito viscoso variável, com seus parâmetros identificados experimentalmente, para representar o atrito não-linear no modelo dinâmico do atuador hidráulico e, com isto, observa-se em simulação, o efeito "stick-slip" e a influência do atrito no controle em malha aberta do atuador hidráulico. No controle em malha fechada com compensação de atrito, a força de atrito é estimada através de uma rede neural artificial feedforward Multi-Layer Perceptron treinada através do algoritmo backpropagation. Mostra-se, através resultados experimentais, que utilizando o controlador em cascata fixo e a rede neural a compensação de atrito é realizada e os erros de seguimento de trajetória são reduzidos.

[pt] Músculos artificiais são versáteis para o projeto de atuadores pois, assim como os músculos naturais, podem ter pequenas dimensões ou serem agrupados para alcançar maiores dimensões. A capacidade do músculo de permitir a construção de atuadores sem partes móveis permite uma grande economia de energia, evitando atritos por deslizamento, menor desgaste, e baixos ruídos.Músculos artificiais são usados para desenvolver atuadores contínuos ou binários, utilizando diversos tipos de configurações para aproveitar ao máximo as vantagens que oferecem estes materiais. Músculos artificiais eletrostrictivos, acionados por altas tensões, já estão sendo utilizados em aplicações comerciais. Circuitos eletrônicos estão sendo projetados para trabalhar com altas tensões elétricas e interagir com estes tipos de músculos. Diversos tipos de material estão sendo avaliados para a implementação destes músculos.Este trabalho visa desenvolver um atuador de configuração cilíndrica de acionamento elétrico, por efeito capacitivo. O atuador é acionado por 3 músculos artificiais em configuração paralela, construídos a partir do elastômero acrílico VHB4905, o qual possui características visco-elásticas e baixo custo de produção. São analisados distintos modelos constitutivos dos músculos, baseados em molas e amortecedores em série e em paralelo.São desenvolvidos métodos de calibragem para calcular os parâmetros dos modelos matemáticos dos músculos a partir de dados obtidos em laboratório. Um método de medição baseado em processamento de imagens e teoria de visão estéreo, desenvolvido especificamente para este trabalho, permite que a posição da extremidade do atuador seja medida de forma não-invasiva, sem interferir em seu movimento, e sem a necessidade de colocar sensores ou instrumentos de medição. Os resultados mostram que os modelos matemáticos são eficientes para descrever o comportamento do atuador. / [en] Artificial muscles are versatile for the actuator projects, because, as well as the natural muscles, they can have small dimensions or they are grouped to obtain big dimensions. Muscle capacity to allow construction of actuators without movable parts allows great economy of energy, avoiding attritions for sliding, lessening waste, and reducing noise.Artificial muscles are used to develop continuous or binary actuators, using different types of configurations to take advantage to the benefit that offer these materials. Eletrostrictive artificial muscles, worked by high tensions, are already being used in commercial applications. Electronic circuits are being projected to work with high electric tensions and to interact with these types of muscles. Many types of materials are being evaluated for the implementation of these muscles.This work looks for to develop a cylindrical configuration actuator of electric activation, for capacitive effect. The actuator is activated by 3 artificial muscles in parallel configuration, built starting from the acrylic elastomer VHB4905, which possesses viscouselastic characteristics and low production cost. Different models of the muscles are analyzed, based on springs and shock absorbers in series and parallel.Calibrate methods are developed to calculate parameters of the mathematical models of the muscles starting from data obtained at laboratory. Measurement method based on processing of images and theory of stereo vision, specifically developed for this work, allows no-invasive measurement of the actuator’s extremity, without interfering in actuator’s movement, and without the need to put sensor or measurement instruments. The results show that mathematical models are efficient to describe the behavior of the actuator.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T04:56:27Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-26T02:37:53Z : No. of bitstreams: 1 184514.pdf: 42091346 bytes, checksum: 7d9e4a5e2320934b6172c94221c34b91 (MD5) / Este trabalho trata do projeto e implementação experimental de controladores para atuadores hidráulicos e da utilização de tais atuadores em robótica. Inicialmente, são desenvolvidos modelos matemáticos não lineares e linearizados dos atuadores hidráulicos de deslocamento linear (atuadores lineares) e de deslocamento angular (atuadores rotativos). A seguir, trata­se do problema do controle dos atuadores hidráulicos. São demonstradas as limitações de desempenho dos controladores clássicos dos tipos P, PD, PI e PID quando aplicados a estes sistemas, o que justifica a utilização de controladores avançados como backstepping e dois graus de liberdade. Estes controladores mostram­se adequados para o controle dos atuadores hidráulicos, apresentando bom desempenho e robustez, mesmo diante de incertezas paramétricas, dinâmicas não modeladas e perturbações. Os resultados obtidos são validados tanto por simulação quanto experimentalmente, em uma bancada de testes do Laboratório de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos (LASHIP). Finalmente, discute­se a aplicação dos atuadores hidráulicos em robótica, com a modelagem de um robô hidráulico e a proposição de um controle por backstepping para este robô.

[pt] Esta dissertação trata da modelagem dos esforços transmitidos por atuadores piezoelétricos, colados ou embutidos em vigas compósitas laminadas. O trabalho é motivado por aplicações na área de materiais e estruturas inteligentes. Em particular, procura-se avaliar o comportamento de diferentes teorias aproximadas nas faixas de médias e altas frequências, quando os comprimentos de onda podem ser da ordem da espessura da viga. Nestes casos, teorias tradicionais de vigas deixam de representar com acuracidade a resposta dinâmica de estruturas compósitas. Além disso, modelos convencionais que procuram representar os esforços gerados pelo atuador por forças e momentos fletores equivalentes, geralmente resultantes de uma análise estática, deixam de ser efetivos. São estudados modelos baseados na Teoria Clássica de Laminação (hipótese cinemática de Bernoulli-Euler) e na Teoria de Deformação Cisalhante de Primeira Ordem (hipótese cinemática de Timonshenko) e na Teoria discreta de Laminação proposta por Reddy (Reddy’s Layerwise Theory). Os três modelos são escritos na forma de equações de estado, e um método de solução é proposto para se obter a matriz de impedância dos atuadores. Resultados dos modelos estudados são comparados com os obtidos pelo método dos elementos finitos (código ANSYStm). São apresentados resultados para atuadores formados por camadas de PZT e Alumínio, bem como por camadas intercaladas de PZT, Aramide-Epóxi e Alumínio. / [en] This dissertation addresses the problem of modeling the excitation of laminated composite beams by piezoelectric patches bonded or embedded in the structure. This work has been motivated by applications in the field of smart structures and materials. In particular, attention is paid to the electromechanical response in the high-frequency range. An attempt is made to evaluate the capabilities of different laminate theories in the medium and high-frequency ranges, where traditional models, such as the Classical (Bernouli-Euler) or First Order Shear Deformation (Timoshenko) theories, fail to provide accurate assessments of the structural dynamic response. Also, at these frequency ranges, conventional approaches to model the piezoelectric excitation via equivalent forces and bending moments, usually resulting from static analysis, are no longer satisfactory. Three different laminate theories are investigated: Classical, First Order Shear Deformation, and Reddy’s Layerwise theories. In the frequency domain, the governing electro-elastodynamic equations are written in a common state space formulation. A general method of solution is presented where the impedance matrix for the actuator is analytically evaluated. Comparisons are also made with numerical models obtained from a commercial finite element code.

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:42Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7533_1.pdf: 2730050 bytes, checksum: 946290862a32cf4d726fa1b40e924f6b (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O advento dos materiais inteligentes ocorreu devido à crescente corrida tecnológica com a introdução de novas técnicas para o desenvolvimento de novos materiais capazes de proporcionar a produção de dispositivos heterodoxos resultando em melhorias funcionais aliadas a miniaturização e simplificação. Esses dispositivos desenvolvidos a partir desses novos materiais são disponibilizados como sensores, atuadores, aplicações na medicina, odontologia, robótica, etc.. Entre esses materiais denominados inteligentes destacam-se as ligas com efeito memória de forma, que podem sob determinadas condições apresentar recuperação de forma quando submetidas a alterações na temperatura ou tensão. Este fenômeno denominado efeito memória de forma (EMF) possibilita a utilização desses materiais como sensores ou atuadores inteligentes. O objetivo principal desse trabalho consiste na caracterização de atuadores na forma de molas helicoidais produzidas através da conformação de fios de uma liga de Cu-Zn-Al com efeito memória de forma . A caracterização dessas molas foi realizada através da análise da deformação termoelástica, das temperaturas críticas de transformação, histerese térmica e do rendimento do efeito memória de forma. O principal interesse nos atuadores utilizados como molas helicoidais reside no grande deslocamento linear e na capacidade de carga proporcionado pelo efeito memória de forma que permite a realização de trabalho quando submetido a diferentes condições de temperaturas e tensões. A caracterização desses atuadores na forma de molas helicoidais objeto desse trabalho de pesquisa foi desenvolvida a partir da conformação dos fios da liga Cu-Zn-Al seguida de um procedimento termomecânico de treinamento ou educação realizado com o auxilio de uma máquina de ensaio de tração sob carregamento constante aperfeiçoada no Laboratório de Materiais Inteligentes do Departamento de Engenharia Mecânica da UFPE. Nesses ensaios foram obtidas as temperaturas críticas de transformação em cada ciclo térmico e observou-se o comportamento do efeito memória de forma dos atuadores quando submetidos a diferentes carregamentos. Dentre os principais resultados foi observada a decalagem das curvas tensão versus deformação devido ao processo de reorientação das plaquetas de martensita e ao acúmulo de deformação plástica produzida durante os ciclos térmicos. A deformação plástica induz a redução do efeito memória de forma quando grandes cargas são aplicadas. As molas submetidas a menores cargas apresentaram melhores rendimentos do que aquelas molas submetidas às cargas maiores

Este trabalho apresenta a modelagem matemática e a estratégia de controle de posição de um atuador pneumático para uma dada aplicação em um equipamento florestal, através de tratamentos teóricos, simulações numéricas e testes experimentais. Tal mecanismo é utilizado para acionamento de uma ferramenta e está inserido em um projeto executado pela Unijuí Campus Panambi, oriundo de uma parceria entre a Associação IPD e a CELPE (Companhia Energética de Pernambuco), desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela ANEEL (código ANEEL PD-0043-0311/2011). Atuadores pneumáticos são sistemas muito atrativos para diversas aplicações, em especial na robótica, porque eles têm a vantagem de baixo custo, leveza, durabilidade e são limpos quando comparados com os atuadores hidráulicos, também possuem facilidade de manutenção, têm boa relação força/tamanho e flexibilidade de instalação, e além disso o ar comprimido está disponível na maioria das instalações industriais. Em despeito dessas vantagens, sistemas de posicionamento pneumático possuem algumas características indesejáveis as quais limitam o uso destes em aplicações que requerem uma resposta precisa. Estas características indesejáveis derivam 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 como estratégia de pesquisa empregada nos mais variados campos do conhecimento tornou-se uma importante ferramenta para fins de simulações computacionais utilizadas em análises de comportamento das variáveis de estado do sistema. Devido à necessidade de um modelo matemático adequado contendo explicitamente o comportamento não linear da vazão mássica nos orifícios da servoválvula, a dinâmica das pressões nas câmaras do cilindro, o movimento do êmbolo do cilindro e a dinâmica do atrito, obteve-se um modelo matemático não linear de 5ª ordem, derivado do estudo de modelos matemáticos utilizados anteriormente em acionamentos pneumáticos. Com base no modelo não linear adotado é implementada uma estratégia de controle clássico. Os parâmetros da zona morta e do atrito foram obtidos experimentalmente e encontram-se descritos detalhadamente no decorrer deste trabalho. O modelo adotado foi validado em testes experimentais em malha aberta e fechada com planejamento da trajetória polinomial sem e com a compensação da zona morta, estes resultados são apresentados por meio de gráficos que ilustram as características do modelo, comparando o comportamento experimental do atuador com os resultados da simulação computacional. Esta pesquisa contribui para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de equipamentos pneumáticos. / 108 f.

A instabilidade de placas de materiais compostos com lâminas piezoelétricas coladas em suas superfícies têm sido alvo de diversos estudos nos últimos anos. Estruturas inteligentes tentam driblar os problemas de instabilidade com a implementação de um sistema de controle que através de uma rede de sensores e atuadores piezoelétricos disposta sobre a estrutura confere robustez ao sistema estrutural. Uma técnica para aumentar as cargas de flambagem de placas de materiais compostos é proposta. A técnica utiliza tensões residuais para criar forças de tração não nulas agindo ao longo do plano da placa permitindo a aplicação de forças externas maiores que as cargas críticas de flambagem tradicionais. A idéia consiste em restringir completamente os movimentos da placa nas direções do seu plano, em todo contorno, e aplicar uma voltagem em atuadores simetricamente colados nas faces da mesma. Essa voltagem é aplicada de tal forma que os atuadores contraiam resultando em forças de tração uniformes ao longo do plano da placa.

Durante o desenvolvimento deste trabalho é apresentada a utilização de uma planta tipicamente industrial em procedimentos de modelagem, identificação, detecção de falhas e controle tolerante. Um breve estado da arte é realizado, classificando as técnicas de detecção em 2 grupos com 3 subdivisões. Estes são percentualmente classificados com base em uma amostragem de artigos extraídos do portal CAPES, mostrando uma tendência entre as técnicas. Em seguida esta planta industrial é modelada de modo que técnicas baseadas em modelo possam ser aplicadas. Esta modelagem utilizou de abordagens com estruturas paramétrica linear, não-linear, não-paramétrica e da utilização de curvas características. Com um modelo bastante razoável as técnicas de detecção puderam ser testadas. Inicialmente tratou-se do problema por causalidade de eventos, o que não mostrou-se ideal pois o modelo não pode ser tratado facilmente por eventos, mostrando a importância da escolha da técnica. A presença de invariantes possibilitou a criação de um detector de falhas baseado no conhecimento do processo. Este foi testado em uma malha fechada por um PI projetado em uma aula de laboratório lecionada no ITA. Outro controlador foi implementado para testar a mesma técnica, o Preditivo baseado em Modelo. Deste modo foi possível analisar o detector em uma malha com atuadores cooperativos na presença de falhas múltiplas.

Esse trabalho pretende prover as bases para a simulação e projeto de sistemas ativos para supressão de vibrações de estruturas flexíveis utilizando sensores e atuadores piezoelétricos. Uma abordagem por elementos finitos é utilizada para modelagem da resposta estática e dinâmica de vigas de Euler-Bernoulli que sofrem movimentos de corpo rígido e deformações elásticas. A viga pode conter sensores/atuadores piezoelétricos ligados a ela e estar sujeita a carregamentos mecânicos e/ou elétricos. A formulação é derivada de um princípio variacional que inclui a energia potencial total da estrutura e a energia potencial elétrica do material piezoelétrico, envolvendo variáveis mecânicas e elétricas. Um código computacional foi desenvolvido para verificar a formulação proposta usando o algoritmo de Wilson-';teta'; para integração das equações de movimento. O software foi utilizado para modelar uma viga flexível com amortecimento ativo induzido por atuadores piezoelétricos. Excelente concordância com resultados da literatura foi obtida para o caso usado como teste. Uma estratégia simples de controle (PD) foi implementada para amortecer ativamente a vibração da viga devido à rotação do cubo. O sistema amorteceu com sucesso a vibração tanto de rotação prescrita como de torque aplicado.

Restrições terminais são tipicamente empregadas em formulações de controle preditivo (Model-based Predictive Control, MPC) para garantia de estabilidade em malha fechada. Contudo, tal garantia é perdida caso o problema de otimização associado não seja factível no instante inicial ou deixe de ser factível devido, por exemplo, à ocorrência de falhas. Neste trabalho, foram investigadas potenciais vantagens de se utilizar uma abordagem de gerenciamento de referência como forma de tratar problemas de não-factibilidade. A abordagem proposta envolve a parametrização do conjunto invariante utilizado como restrição terminal na lei de controle em termos dos valores de equilíbrio dos estados e controles, bem como das restrições sobre as entradas. As leis de controle desenvolvidas foram aplicadas ao modelo de um helicóptero de laboratório por meio de simulações em ambiente Matlab. O principal aspecto investigado foi a tolerância a falhas de atuador, modeladas como alterações de ganho e de limites de excursão do sinal de controle.