Resumo não disponível

Os servoatuadores pneumáticos são relativamente baratos, leves, não poluentes e de fácil montagem e operação. Eles também apresentam uma relação força/peso que os torna bastante atraentes para aplicações em robótica. Entretanto, as grandes não-linearidades presentes nos sistemas pneumáticos e a dificuldade de obter modelos acurados têm impossibilitado a sua aplicação prática em problemas de controle preciso de posição. As deficiências dos controladores tradicionais quando ap licados a um servoatuador pneumático foram examinadas. Elas consistem principalmente na dificuldade do ajuste dos ganhos, na falta de robustez a variações da carga e em uma grande sensibilidade aos efeitos do atrito. O principal objetivo desta tese é verificar a possibil idade de superar estas dificuldades através do projeto adequado de algoritmos não-lineares de controle.Para tanto, desenvolveu-se inicialmente um modelo não-linear para um servoatuador pneumático com atrito. Neste modelo, as relações não-lineares da vazão mássica na servoválvula com as pressões e com a tensão de controle são modeladas através de um equacionamento empírico baseado na fó rmula de passagem de fluidos cornpressíveis em orifícios. O atrito foi equacionado com base em um modelo recente (denominado Lugre), cuja estrutura, além de levar em conta os principais comportamentos macroscópicos não lineares do atrito, é adequada para uso em esquemas robustos de observação e compensação em tempo real. Com base na modelagem desenvolvida, e a partir de uma di scussão das dificuldades de controle dos sistemas pneumáticos de posicionamento, propõe-se uma estratégia de controle em cascata com compensação do atrito para superar diversas dificuldades dinâmicas estruturais destes sistemas de posicionamento. Esta estratégia em cascata, sem a compensação do atrito, foi aplicada com êxito por outros pesquisadores em robôs elétricos e no controle de atuadores hidráulicos. Tal estratégia consiste em dividir o sistema completo em dois subsistemas - um subsistema mecânico e um pneumático. São apresentadas as propriedades de estabilidade decorrentes dessa estratégia e a sua comprovação através de simulações e de resultados experimentais. / Pneumatic actuators are relatively simple to operate, cheap, clean, lightweight, and easy assembling devices. They also present a force/weight ratio that makes them quite attractive for applications in robotics. However, in precise position contrai systems applications, the nonlinearities of the pneumatic systems and the difficulties of obtaining precise pneumatic models have been hindering the practical use of these systems. lt has been verified that the standard controllers deficiencies, when applied to a servopneumatic drive, consist of gains tuning difficulties, robustness lack under payload variations and great sensibility to the friction effects. The main objective of this thesis is to verify whether it is possible to overcome these difficulties through feedback contrai with the appropriate synthesis o f nonlinear contrai algorithms. In arder to accomplish this task, we initially developed a nonlinear accurate model of a pneumatic servo drive with friction. To deal with the nonlinear airflow relationship between the pneumatic valve's driving voltage and the upstream/downstream pressures, an empírical model based on the flow nozzle formula is developed. A suitable model structure for friction (the so called Lugre model) is used as basis for the friction forces identification. This friction model takes into account the major known macroscopic friction nonlinear behavior, and its structure is suitable to be used in model based robust on-line friction observation and compensation schemes. Using the appropriate system model and the available knowledge on pneumatic servodrives contrai problems, we propose a cascade contrai strategy to overcome the severa! structural dynamics problems of the pneumatic system, including the friction effects. Other researchers have successfully used this cascade strategy, without friction compensation, in electrical robots and in hydraulic actuators contrai. Such strategy consists in dividing the whole model into two subsystems - a mechanical subsystem and a pneumatic one. We present the cascade control stability properties with friction compensation and its confirmation through simulation and experimental results.

Uma das atribuições da engenharia de automação é o desenvolvimento de solução de automação e controle de processos contínuos industriais. Para tanto, a principal ferramenta emprega para este controle é a ação de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID). Nas últimas décadas diversas empresas fabricantes de equipamentos de automação industrial têm desenvolvido e aprimorado seus controladores industriais. Estes, além de realizarem o controle de processo por lógica de intertravamento, também possuem a ação de controle PID com a finalidade de executar o controle de processo contínuo como controle de velocidade, controle de pressão, controle de nível, etc. Porém, devido a grande variedade de controladores industriais por conseqüência, a grande variedade de implementações instrução PID, implica, muitas vezes, em falta padronização da programação e operação do algoritmo da equação PID implementados nos mais diversos controladores industriais. Tal fato dificulta a engenharia de automação industrial em desenvolver controle de processos contínuos através de instruções PID. Este trabalho de pesquisa aborda o desenvolvimento de metodologia \"MAFPID\" como ferramenta de engenharia de automação para aferir o funcionamento da instrução de controle PID implementada em equipamentos de controle e automação. Esta metodologia é constituída de três Etapas de testes. A primeira Etapa constitui o estudo do equipamento testado a partir das documentações fornecidas pelo fabricante. A segunda Etapa constitui de teste dos parâmetros proporcional, integral e derivativo, realizados no controlador industrial isolado de qualquer processo. A terceira Etapa constitui de teste do controlador interagindo com um circuito analógico. Este circuito simula o comportamento de alguns processos industriais, fornecendo ao controlador aferido sinais de entradas e de saída semelhantes aos processos reais. Este trabalho também apresenta dois estudos de caso, nos quais foi aplicada a metodologia MAFPID. / One of attributions of the automation engineering is the development of automation solution and control of industrial continuous processes. For in such a way, the main tool uses for this control is the action of Proportional-Integral-Derivative control (PID). In the last diverse decades companies equipment manufacturers of industrial automation have developed and improved its industrial controllers. These, besides carrying through the control of process for interlocking logic, also possess the action of control PID with the purpose to execute the control of continuous process as control of speed, control of pressure, control of level, etc. However, due to great variety of industrial controllers for consequence, the great variety of implementations instruction PID, it implies in lack standardization of the programming and operation of the algorithm of equation PID implemented in the most diverse industrial controllers. Such fact, it makes difficult the engineering of industrial automation in developing control of continuous processes through instructions PID. This work of research approaches the development of methodology MAFPID as tool of engineering of automation to survey the functioning of the instruction of control PID implemented in control equipment and automation. This methodology is constituted of three stages of tests. The first stage constitutes the study of the equipment tested from the documentations supplied for the manufacturer. The second stage constitutes of test of the parameters proportional, integral and derivative, carried through in the isolated industrial controller of any process. The third stage constitutes of test of the controller interacting with an analogical circuit. This circuit simulates the behavior of some industrial processes, supplying signals of input and output to the surveyed controller of similar to the real processes. This work also presents two studies of case, in which was applied methodology MAFPID.

Uma das atribuições da engenharia de automação é o desenvolvimento de solução de automação e controle de processos contínuos industriais. Para tanto, a principal ferramenta emprega para este controle é a ação de controle Proporcional-Integral-Derivativo (PID). Nas últimas décadas diversas empresas fabricantes de equipamentos de automação industrial têm desenvolvido e aprimorado seus controladores industriais. Estes, além de realizarem o controle de processo por lógica de intertravamento, também possuem a ação de controle PID com a finalidade de executar o controle de processo contínuo como controle de velocidade, controle de pressão, controle de nível, etc. Porém, devido a grande variedade de controladores industriais por conseqüência, a grande variedade de implementações instrução PID, implica, muitas vezes, em falta padronização da programação e operação do algoritmo da equação PID implementados nos mais diversos controladores industriais. Tal fato dificulta a engenharia de automação industrial em desenvolver controle de processos contínuos através de instruções PID. Este trabalho de pesquisa aborda o desenvolvimento de metodologia \"MAFPID\" como ferramenta de engenharia de automação para aferir o funcionamento da instrução de controle PID implementada em equipamentos de controle e automação. Esta metodologia é constituída de três Etapas de testes. A primeira Etapa constitui o estudo do equipamento testado a partir das documentações fornecidas pelo fabricante. A segunda Etapa constitui de teste dos parâmetros proporcional, integral e derivativo, realizados no controlador industrial isolado de qualquer processo. A terceira Etapa constitui de teste do controlador interagindo com um circuito analógico. Este circuito simula o comportamento de alguns processos industriais, fornecendo ao controlador aferido sinais de entradas e de saída semelhantes aos processos reais. Este trabalho também apresenta dois estudos de caso, nos quais foi aplicada a metodologia MAFPID. / One of attributions of the automation engineering is the development of automation solution and control of industrial continuous processes. For in such a way, the main tool uses for this control is the action of Proportional-Integral-Derivative control (PID). In the last diverse decades companies equipment manufacturers of industrial automation have developed and improved its industrial controllers. These, besides carrying through the control of process for interlocking logic, also possess the action of control PID with the purpose to execute the control of continuous process as control of speed, control of pressure, control of level, etc. However, due to great variety of industrial controllers for consequence, the great variety of implementations instruction PID, it implies in lack standardization of the programming and operation of the algorithm of equation PID implemented in the most diverse industrial controllers. Such fact, it makes difficult the engineering of industrial automation in developing control of continuous processes through instructions PID. This work of research approaches the development of methodology MAFPID as tool of engineering of automation to survey the functioning of the instruction of control PID implemented in control equipment and automation. This methodology is constituted of three stages of tests. The first stage constitutes the study of the equipment tested from the documentations supplied for the manufacturer. The second stage constitutes of test of the parameters proportional, integral and derivative, carried through in the isolated industrial controller of any process. The third stage constitutes of test of the controller interacting with an analogical circuit. This circuit simulates the behavior of some industrial processes, supplying signals of input and output to the surveyed controller of similar to the real processes. This work also presents two studies of case, in which was applied methodology MAFPID.

Este trabalho aborda o desenvolvimento de uma arquitetura de controle em tempo real para servoposicionadores pneumáticos, baseada em computadores pessoais (PCs). Os servoposicionadores pneumáticos são de baixo custo, leves, não poluentes e de fácil utilização. Como apresentam boa relação entre peso e força, são bastante atraentes em aplicações de robótica. Entretanto, devido a suas não linearidades, os servoposicionadores pneumáticos apresentam dificuldades em seu controle. Visando compensá-las, são desenvolvidos algoritmos de controle cada vez mais complexos, necessitando de ferramentas mais robustas quanto ao poder de processamento. Ferramentas com características necessárias para o desenvolvimento de algoritmos e para o controle em tempo real de sistemas custam caro, o que dificulta o desenvolvimento de novas tecnologias de controle de servoposicionadores pneumáticos. Este trabalho apresenta uma revisão das soluções utilizadas na construção de sistemas pneumáticos de posicionamento e daquelas adotadas no controle digital de sistemas automáticos. Descrevese o processo de construção de uma bancada experimental, e o desenvolvimento das soluções em hardware e software para o controle digital é discutido. Visando uma solução economicamente atraente, são utilizados unicamente softwares de código aberto e de livre utilização, assim como hardwares de baixo custo.Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle é utilizada para realizar a identificação dos parâmetros do sistema pneumático. Dentre eles, destacam-se a vazão mássica e o atrito, informações importantes para simulação e controle do sistema. Também são utilizados controladores do tipo Proporcional-Integral-Derivativo, implementados para apoiar o estudo do desempenho da arquitetura no controle do servoposicionador pneumático.

Este trabalho apresenta uma proposta de metodologia de desenvolvimento de sistemas de Informática Industrial para fábrica de celulose. Inicialmente foi elaborado um estudo sobre a automação na industria de celulose nos seus diversos aspectos a fim de estabelecer uma referência sobre a natureza dos sistemas a serem desenvolvidos e de diretrizes na condução de um projeto deste tipo. Após este levantamento é apresentada a metodologia de projeto propriamente dita a qual se baseia numa descrição formal do processo a fim de que possamos levantar suas principais características. Esta descrição é a base do projeto do sistema de controle de processos. / This work deals with the development of industrial control system. First is present a survey on process control for pulp and paper industry in such a way to give a direction for the proposal. The main aspects of system are present and their impact in the economics of this industrial field. Secondly the methodology it self is presented. It departs from the formal description of the process and its characteristics as the base for the process control system.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:47:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 324099.pdf: 5732433 bytes, checksum: b9c4abbe1446a88cb9ef389796fd3572 (MD5) Previous issue date: 2013 / A locomoção ágil de robôs com pernas em terrenos irregulares necessita que todas as tarefas - desde a geração/planejamento de trajetórias ao controle do movimento - interajam de maneira harmoniosa. As diferentes tarefas, por exemplo, a geração de trajetórias e as ações de controle, em geral, não podem gerar conflitos com relação ao movimento desejado. Nesta tese, propõe-se uma estrutura de controle reativa para locomoção de robôs quadrúpedes em terrenos irregulares. O objetivo de tal estrutura è fazer frente à problemas relacionados à locomoção em superfícies irregulares, ao erro de rastreamento de trajetória e a imprecisão da estimação de estados. A estrutura compreende a dois módulos principais: um relacionado a geração do movimento, e outro relacionado ao controle do movimento do robô. Para a geração do movimento propõe-se uma abordagem baseada em Geradores de Padrões Centrais, que geram referências no espaço da tarefa e podem ser modulados de acordo com a superfície do terreno. Para o controle do movimento propõe-se uma estratégia de controle baseado em projeção de espaço nulo e uma estratégia de controle para rejeição de distúrbios baseada no conceito de pontos de captura. As principais contribuições teóricas foram validadas em simulação e implementadas em um robô real. Ao final do documento, tais resultados são apresentados para demonstrar a efetividade da estrutura proposta.<br>

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T20:24:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329019.pdf: 9257590 bytes, checksum: 081e4df4c1baf4b4b76dcc51c4aabda2 (MD5) Previous issue date: 2014 / Esta dissertação apresenta um estudo sobre a influência dos dispositivos de ação variável de um sistema de refrigeração de duplo-evaporador. Os dispositivos de ação variável deste sistema são o compressor de velocidade variável, uma válvula de distribuição entre os evaporadores e as válvulas de expansão variável. Foi construído um protótipo do sistema de duplo-evaporador. Foram desenvolvidas três técnicas (monovariável PI, multivariável LQG e monovariável por modos deslizantes para a válvula de distribuição) para controlar as temperaturas do congelador e do refrigerador através da velocidade do compressor e da fração de operação da válvula de distribuição. A análise dos resultados obtidos com estas técnicas indica que uma estratégia de controle chaveado para a velocidade do compressor e fração de operação da válvula de distribuição pode levar o sistema a operar com maior eficiência energética em regime permanente e a responder mais rapidamente à perturbações de carga. Com base nestas conclusões, foi desenvolvida uma metodologia para o projeto de uma lei de chaveamento baseada em múltiplas funções de Lyapunov com custo garantido das variáveis de saída do sistema. Esta lei de chaveamento foi aplicada, com limitação da frequência de chaveamento, ao protótipo do sistema. Para evitar uma grande limitação da frequência de chaveamento, os sinais aplicados aos atuadores foram definidos como a média dos últimos seis sinais de controle calculados pela lei de chaveamento. Foi verificado que um projeto adequado do custo garantido das variáveis de saída permite o sistema chaveado operar melhor com a limitação da frequência de chaveamento. O controle chaveado projetado garantiu o seguimento de referência das saídas do sistema e uma resposta mais rápida, do que a obtida pelas outras técnicas de controle, para as perturbações de carga, porém não levou o sistema a obter menor consumo de energia. A influência das válvulas de expansão foi analisada em regime permanente e em regime transitório. Os resultados obtidos permitem concluir que tubos capilares bem dimensionados podem substituir o uso de válvulas de expansão sem grande penalização do desempenho do sistema.<br> / Abstract : This master thesis presents a study on the in uence of the variable action devices of a dual-evaporator refrigeration system. The variable action devices of this system are the variable speed compressor, the distribution valve between the evaporators and the variable expansion valves. It was built a dual-evaporator prototype system. It was developed three techniques (single variable PI, multi variable LQG and single variable sliding mode to distribution valve) to control the freezer and fresh-food temperatures by the speed compressor and operation fraction of the distribution valve. The results analysis indicates that a switched control strategy to the speed compressor and operation fraction of the distribution valve can drive the system to operate with better energetic efficiency in steady state and to respond faster to load disturbances. Based on these statements, it was developed a methodology to design a switching rule based on multiple Lyapunov functions with guaranteed cost of the output system variables. This switching rule was applied with frequency limitation to the prototype system. In order to avoid a big switching frequency limitation, the applied signals on actuators were defined as the medium of the last six control signals calculated by the switching rule. It was verified that a suitable design of the guaranteed cost of the output system variables allows the system deals better with the switching frequency limitation. The switched control designed ensure the reference tracking by the output system variables and a faster response to load disturbances than the ones obtained by another control techniques, however it did not drive the system to a lower energy consumption. The expansion valves in uence was studied in steady state and in transient response. The obtained results showed that well designed capillary tubes can substitute the expansion valves without considerable system performance penalty.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2015-02-05T21:18:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 329960.pdf: 1016550 bytes, checksum: 247c4dee44c73c24ff2947f7c9e4d4aa (MD5) Previous issue date: 2014 / Abstract : The synthesis of modern anti-windup controllers for saturated systemsis a very important problem specially when high performance and guaranteeof stability are required. For such objectives it is not possible toavoid the system saturated behavior and special techniques must beused for analysis and synthesis of controllers for linear systems subjectto control saturation.In this work the existing results on analysis and synthesis of a classof anti-windup compensators based on the formulation of LMI (LinearMatrix Inequalities) problems for minimization of a L2 energy criteriaor enlargement of the domain of asymptotic stability are studied. TheseLMI problems use Lyapunov stability conditions as well as a representationof the saturation through modified sector conditions. Additionally,conditions for pole placement on the anti-windup controller are used.Then, considering the Projection Lemma, an alternative LMI formulationis proposed for the considered problem. This formulation is shownto be a generalization of existing methods and the results of both formulationsare compared using a numerical example.Finally the advantages and disadvantages of the proposed LMI formulationare highlighted. The additional degree of freedom in the LMIproblem is probably the main contribution for future research since theresulting flexibility can be exploited to include additional objectives tothe synthesis problem.<br> / A síntese de controladores para sistemas com saturação é um problema especialmente importante quando há requisitos de alto desempenho e garantias formais de estabilidade. Em face de tais objetivos rigorosos não é possível evitar o comportamento saturado do sistema e técnicas especiais precisam ser empregadas na análise e síntese de controladores para estes sistemas não-lineares. Neste trabalho de mestrado é estudado uma técnica existente para a análise e síntese de uma classe de compensadores anti-windup modernos baseados na formulação de problemas LMI (Desigualdades Matriciais Lineares, em inglês). Esta técnica pode considerar a minimização de um critério de energia L-2 ou a maximização de um domínio de estabilidade assintótica. Em ambos os casos o problema LMI formulado utiliza um critério de estabilidade baseado em Lyapunov bem como condições de setor modificadas para a representação das saturações. Adicionalmente, são utilizadas condições para a obtenção de controladores anti-windup com restrições de posicionamento dos polos do controlador. Então, utilizando o Lema da Projeção, uma formulação alternativa para o problema LMI considerado é proposta. Esta formulação é uma generalização dos métodos existentes e os resultados de ambas formulações são comparados usando um exemplo numérico. Por fim, as vantagens e desvantagens dessa formulação alternativa para o problema LMI são destacadas. O fato de que esta nova formulação fornece um grau de liberdade adicional ao problema LMI é provavelmente a principal contribuição para trabalhos futuros, visto que esta flexibilidade pode permitir a inclusão de objetivos adicionais ao problema de síntese do controlador anti-windup.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2015. / Made available in DSpace on 2015-09-29T04:09:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 334759.pdf: 9176122 bytes, checksum: 3cdeb518e3c806bbf43e8bc028fcd139 (MD5) Previous issue date: 2015 / O presente trabalho aborda os problemas de modelagem, simulação, projeto e implementação de uma estratégia de controle para um motor a combustão interna (MCI) do ciclo Otto, onde os objetivos de controle são manter a operação em regiões mais eficientes e reduzir o consumo de combustível, indo de encontro aos objetivos de eficiência energética de um veículo híbrido série em desenvolvimento. A estratégia de controle adotada para o MCI é baseada em modos deslizantes e foi motivada pelos bons resultados apresentados em um artigo da literatura recente, que com ações complementares sobre o ponto de ignição e injeção de combustível, aliado à operação com mistura pobre, garante tanto a robustez desejada para o controle da rotação quanto redução no consumo de combustível. Para o projeto do controlador, um modelo de valores médios foi ajustado para descrever as dinâmicas do MCI em estudo, sendo que a estimação dos parâmetros e a validação do modelo bem como o projeto do controlador se deram por simulações no ambiente Matlab/Simulink®. O controlador foi validado em um MCI de baixa cilindrada que foi completamente instrumentado e gerenciado por uma central eletrônica de código aberto, que pela possibilidade de alterações em hardware e software facilitou a realização dos testes necessários e a implementação do controlador. Os resultados experimentais foram satisfatórios e os objetivos de controle foram alcançados, demonstrando a viabilidade e o bom desempenho do controlador implementado, ambos requisitos de grande interesse para a aplicação em que o MCI está inserido.<br> / Abstract : This thesis presents the problems of modeling, simulation, design and experimental validation of a control strategy for a spark-ignition internal combustion engine, where the control objectives are to maintain the engine speed at a desired value and to consume the minimum mass of fuel that allows the former objective to be met, in line with the energy efficiency objectives of a series hybrid powertrain in development. The control strategy for the engine is based on sliding modes and was motivated by the good results of an article from recent literature, in which the complementary operation mode on the spark advance and fuel injection, with adequate lean burn conditions, ensures both engine speed at its desired value and reduction in the fuel consumption. For the controller design, a mean value model was fitted to describe the engine dynamics, where the parameter estimation and the model validation as well as the controller design have been made by simulations on the Matlab/Simulink® environment. The controller was validated in a small engine, fully instrumented and controlled by an open source fuel injection, where the experimental procedures and the controller implementation was facilitated by possibility of hardware and software modifications. Experimental results were very expressive and the controller successfully fulfilled the two control objectives, showing the feasibility and the good performance of the proposed strategy, both requirements of high interest for the application in which the engine is inserted.