O presente trabalho trata do projeto, construção e análise de desempenho de um robô pneumático com três graus de liberdade. Foi fundamentado no trabalho de Frasson (2007) com alterações na escolha de componentes que permitissem a redução de custos. Tem como objetivo verificar se um robô comandado por válvulas solenóide rápidas, e controlado pela técnica baseada em modos deslizantes (Slide Mode Control), tem desempenho adequado para permitir sua aplicação em processos industriais. Os testes efetuados para constatar seu desempenho foram os de deslocamento em degrau (step) e o seguimento de trajetória. A configuração do robô é cartesiana por permitir que os eixos do robô trabalhem desacoplados, facilitando o estudo dos movimentos. Os resultados dos testes de deslocamento em degrau e os de seguimento de trajetória indicam que o robô mostrou-se eficiente no posicionamento final em relação os valores definidos pela camada limite. Observou-se também que a combinação entre o tempo de resposta da válvula solenóide e a vazão de ar que atravessa à válvula (constante no caso de válvulas solenóide) estabelece a dinâmica dos cilindros e, dependendo da velocidade determinada para o deslocamento do êmbolo resulta impossível manter a movimentação dentro da camada limite escolhida. Desta forma o robô cartesiano com acionamento por eletroválvulas pneumáticas e controlado através da técnica baseada em modos deslizantes, mostrou-se eficiente para tarefas em que é necessário um de posicionamento final dentro da camada limite, como podem ser as de montagem e armazenamento, por exemplo. Já nas aplicações em que o seguimento de trajetória se torna necessário, deve ser feito um estudo considerando o tempo de acionamento das válvulas, a vazão de ar e as velocidades que o robô deve desempenhar para determinar se a largura da camada limite necessária é aceitável para a aplicação pretendida. / The present work tries the design, construction and analysis of performance of one three degrees of freedom pneumatic robot. This work was substantiated in the work of Frasson (2007) with some alterations in the components choice to reduce costs. This work objective is to verify the robot, being commanded by quick solenoid valves, and controlled by a technique based on Slide Mode Control, permits their application in industrial trials. The tests performed for establish his performance were the displacement in step function and the following of path. This robot has a Cartesian configuration because the axis is free to move alone and the study of axes movement is easy. The tests results indicate that a pneumatic robot had precise perform in the tests of displacement in step, positioning itself inside the streak of default tolerance in each one of the axes. Also the solenoid valve response time and the solenoid valve air flux make a cylinder dynamics and depends on speed choice to piston movement may be impossible to maintain the motion inside of the sliding surface. Then a Cartesian pneumatic robot commanded by fast solenoid valves a having an Slide Mode Control show efficient to deal with assignments which need a final location inside the limit area, as assemblies or storage assignments. In cases where following of path is important, is need an specific study on valves switching time, air flow and speed needed in robot operation to determine if the limit region defined is accepted for the assignments choiced.

Esta tese de doutorado trata do desenvolvimento de um robô cilíndrico com cinco graus de liberdade acionado pneumaticamente. Devido às dificuldades de controle ocasionadas pelas altas não-linearidades intrínsecas à tecnologia pneumática, relacionadas principalmente à compressibilidade do ar e ao atrito, existem poucos robôs com esse tipo de acionamento. Seu estudo justifica-se, porém, pela aplicabilidade de sistemas pneumáticos em ambientes classificados ou que necessitem de tecnologia limpa, além de possibilidades de aplicação, devido à sua alta resiliência, em atividades que exijam proximidade ou contato com seres humanos ou outros robôs. Além disso, a possibilidade de obtenção de sistemas pneumáticos a custos reduzidos pode viabilizar sua aplicação para realização de operações de manipulação de objetos de pequeno porte em ambiente fabril, principalmente em situações de insalubridade ou em casos de necessidade de realização de tarefas repetitivas. O estudo contempla a proposição e aplicação de uma técnica de controle não linear baseada na conhecida lei do Torque Calculado, largamente aplicada ao controle de robôs manipuladores, diferenciando-se da sua estrutura tradicional pelo acréscimo de um esquema para compensação explícita do atrito aplicado aos cinco subsistemas de atuação. É demonstrado através dos resultados de simulações e de experimentos realizados em um protótipo projetado e construído no âmbito do presente trabalho, que, devido às características construtivas dos atuadores, a compensação explícita do atrito é de grande importância para a obtenção de resultados adequados na tarefa de seguimento de trajetória. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de uma trajetória contínua, indicam que a estratégia de controle do Torque Calculado, em conjunto com o esquema de compensação do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição. / This thesis presents the development of a cylindrical robot with five degrees of freedom pneumatically actuated. Because of the difficulties in control tasks caused by intrinsic high nonlinear behavior of this technology, mainly related to the air compressibility and friction, exist only few robots with this actuation technology. This study is justified by the applicability of pneumatic systems in classified rooms or environments that need clean technology that due to resilience allows the applications that require, close proximity or contact with humans or other robots. Moreover, the possibility of obtaining pneumatic systems at reduced costs can make possible its application for accomplishment of manipulation of small objects in industrial environment, especially in situations of unhealthy work or in cases that need to perform repetitive operations. This study include the proposition and application of a nonlinear control technique based of widely known law of Torque Calculated, extensively applied on control of the manipulator robots, differentiating itself from its traditional structure by the addition of an explicit scheme for friction compensation, applied to the five actuators of the robot. It is demonstrated by results of simulations and experiments on the robot prototype designed and built, as part of this work, which, due to the constructive characteristics of the actuators, the explicit compensation of friction is very important to achieve appropriate results in a task of trajectory tracking. The results of application of the proposed controller, operating under continuous trajectory tracking indicate that the control strategy of Torque Calculated together with the friction compensation scheme leads the system to a reduction of the position tracking errors.

Visando apoiar o desenvolvimento de controladores para servoposicionadores pneumáticos, é apresentada no presente trabalho uma proposta de um procedimento baseado no uso de redes neurais para a determinação de modelos matemáticos precisos que possam ser aplicados tanto para a simulação do seu comportamento dinâmico quanto na estrutura de controladores que utilizam estratégias baseadas em modelos. No âmbito do trabalho, esse procedimento foi testado por meio de sua aplicação na identificação das forças de atrito e da relação pressão/vazão mássica nos orifícios de controle da servoválvula (que consistem nas principais não-linearidades envolvidas em tais sistemas). Além disso, determinou-se através de redes neurais a relação inversa entre as vazões desejadas e o sinal de controle da servoválvula (difeomorfismo), a qual é aplicada em técnicas de controle baseadas em modelos. Visando validar o procedimento de modelagem proposto, foram realizadas simulações em malha aberta e malha fechada, cujos resultados são comparados com os de experimentos realizados em uma bancada de testes. Com o intuito de comprovar sua eficácia em aplicações de controle, o modelo baseado em redes neurais foi utilizado no desenvolvimento de um controlador não-linear sintetizado de acordo com uma estratégia em cascata (a qual foi já testada em outros trabalhos, mostrando resultados satisfatórios quando aplicada ao controle de servoposicionadores pneumáticos). No entanto, essa estratégia apresenta dificuldades de implantação em decorrência das dificuldades associadas ao processo de identificação dos parâmetros do sistema, que são especialmente trabalhosos neste caso. As características de estabilidade em malha fechada foram analisadas por meio do segundo método Lyapunov. Os resultados experimentais em malha fechada obtidos atestam a eficácia da estratégia de controle proposta. / The development of a precise positioning system has motivated several researches in the pneumatic systems control area to overcome the problems caused by these nonlinearities, by appropriate feedback control algorithms. In this work it is proposed a methodology based on neural networks to achieve accurate mathematical models that can be used in simulation as in controllers techniques based on models. This methodology was tested through its application in identifying the phenomenon of friction and the relationship pressure/mass flow through servo valve orifices control holes. Furthermore, using neural networks, the inverse relationship between the desired flow rates and control signal of servo valve (diffeomorphism), which is applied in various control techniques based on models, was determined. To evaluate the proposed modeling methodology, simulations were done in open and closed loop, and the results were compared with experiments conducted on a real pneumatic servo positioning system. A neural network based model was used to develop a nonlinear controller according to a cascade strategy with friction compensation (which has been tested on other studies showing satisfactory results when applied to pneumatic servo positioning control). The cascade control strategy, despite showing a good performance in trajectory tracking, presents significant difficulties in implementation due mainly to difficulties associated with the system parameters identification process, which are especially expensive. The characteristics of the closed loop stability were analyzed by Lyapunov method. The experimental results obtained in closed loop attest the efficiency of the proposed control strategy.

Este trabalho aborda o desenvolvimento da estrutura da base e do sistema de acionamento, transmissão e controle do 1º grau de liberdade de um robô cilíndrico de 5 graus de liberdade acionado pneumaticamente. A base é construída com alumínio estruturado de elevada rigidez, o que confere a sua estrutura mecânica baixas deformações em situações de operação do robô. Além de constituir a estrutura de apoio do manipulador, a base serve de repositório para diversos componentes de sensoriamento e comando dos diversos graus de liberdade do robô e ainda apresenta elementos estruturais que são utilizados como acumuladores de ar comprimido que servem para atenuar as flutuações de pressão nos atuadores pneumáticos. O 1º grau de liberdade do robô, de acordo com a concepção de um robô cilíndrico, é relativo ao giro do conjunto de elos do manipulador em torno do eixo vertical. O seu movimento é comandado por um atuador pneumático linear acoplado a um eixo rotativo por uma correia sincronizadora. O controlador proposto é baseado na técnica de realimentação de estados com alocação de polos e compensa a variação do momento de inércia do manipulador devida ao movimento do robô. Este esquema é baseado em um modelo matemático parametrizado que provê continuamente o valor de massa equivalente acoplada ao primeiro grau de atuador de liberdade. Assim, a cada ciclo de controle, os ganhos do controlador são recalculados a partir do valor atual da massa equivalente, visando a compensar sua variação. São apresentados resultados experimentais e discussões sobre o cálculo da massa equivalente e desempenho do controlador no seguimento de trajetória. / This work deals with the design of the base frame, drive, transmission and control systems used in the first degree of freedom of a pneumatically actuated cylindrical robot with five degrees of freedom. The base is constructed with high stiffness aluminum parts, which achieve low mechanical deformation in operational working conditions. Furthermore, the base structure in used as sensor and pneumatic components compartment and comprises aluminum structural elements that are used as accumulators compressed air used for reducing the pressure fluctuations on the pneumatic actuators operation. The first degree of freedom, according to the usual design of a cylindrical robot, is relative to the rotation of the manipulator arm around its vertical axis. This degree of freedom is controlled by a linear pneumatic actuator coupled to a rotary axis mechanism by an industrial synchronous belt. The proposed controller is based on the state feedback technique with pole location and compensates the variation of the moment of inertia of the manipulator due to the motion of the robot. This scheme is based on a parameterized mathematical model that continuously provides the equivalent mass value coupled to the first degree of freedom actuator. So, in each control cycle, the controller gains are recalculated on the basis of the equivalent mass, compensating its variation. Results of experiments and discussions about the equivalent mass calculation and controller performance are presented.

Orientador: Prof. Dr. Douglas Alves Cassiano / Em meados da década de 1920 tornou-se comum o emprego de sistemas pneumáticos destinados à movimentação de materiais particulados sólidos. As principais limitações para estas aplicações estão relacionadas a aspectos financeiros, em especial ao elevado consumo energético destes sistemas em comparação a outras tecnologias existentes, porém, a partir dos ganhos relacionados à eficiência energética, é fortemente recomendável considerar o seu emprego como primeira opção, mesmo em aplicações tradicionalmente mecânicas. Levantamento realizado junto à base de dados Elsevier-Scopus em 2017 aplicando-se os termos Pneumatic Conveying + Design of Experiments + Energy Efficiency, objetos deste trabalho, revelou a existência de apenas dois trabalhos publicados no ano de 2012. Assim o trabalho ora apresentado foi motivado pela necessidade de otimização da eficiência energética nestes sistemas e pela oportunidade de avanço da fronteira do conhecimento acerca do assunto evidenciadas pela pesquisa bibliográfica realizada. Fundamentado em técnicas estatísticas de planejamento fatorial e metodologia de superfície de resposta, o trabalho ora apresentado objetivou o estudo da eficiência energética de um sistema alternativo de transporte pneumático, que envolve os conceitos do transporte pneumático em fase densa e em fase diluída. Definido o material empregado no estudo (Alumina), realizaram-se ensaios de caracterização para investigação do seu potencial de fluidização, construiu-se um protótipo do ejetor pressurizado, definiram-se os planejamentos experimentais de dois níveis e composto central, realizaram-se 71 testes para obtenção de dados experimentais e obtiveram-se os modelos matemáticos linear e não linear que aplicados e interpretados, resultaram na superfície de resposta. Concluiu-se que o sistema proposto é capaz de realizar transporte pneumático nas condições do estudo. Observou-se que a eficiência energética do sistema pode ser adequadamente investigada e estudada a partir da metodologia adotada. Obtiveram-se o modelo matemático e a superfície de resposta que, validados, possibilitaram a inferência da eficiência energética do sistema em função da pressão de transporte e do tempo de dosagem de material, bem como a identificação do ponto ótimo de operação respeitadas as condições de contorno do estudo. / Tese ( doutorado)- Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2017. / In the mid-1920s it became common to use pneumatic systems for the movement of solid particulates. The main limitations for these applications are related to financial aspects, in particular the high energy consumption of these systems compared to other existing technologies, but, from the gains related to energy efficiency, it is strongly recommended to consider their use as the first option, even in traditionally mechanical applications. A survey carried out with the Elsevier-Scopus database in 2017 applying the terms Pneumatic Conveying + Design of Experiments + Energy Efficiency, objects of this work, revealed the existence of only two works published in the year 2012. Thus, the work presented here was motivated by the need to optimize energy efficiency in these systems and the opportunity to advance the frontier of knowledge about the subject evidenced by the bibliographical research. Based on statistical techniques of factorial planning and response surface methodology, the present study aimed to study the energy efficiency of an alternative pneumatic transport system, which involves the concepts of pneumatic transport in dense phase and in diluted phase. After the determination of the material used in the study (Alumina), characterization tests were carried out to investigate its fluidization potential, a prototype of the pressurized ejector was built, the experimental design of two levels and the central compound were defined, 71 tests to obtain experimental data and obtained the linear and non-linear mathematical models that applied and interpreted, resulted in the response surface. It was concluded that the proposed system is capable of performing pneumatic transport under the conditions of the study. It was observed that the energy efficiency of the system can be adequately investigated and studied from the methodology adopted. The mathematical model and the response surface were obtained, which validated the inference of the energy efficiency of the system as a function of the transport pressure and the material dosing time, as well as the identification of the optimum operating point, respecting the operating conditions.

Este trabalho dedica-se ao estudo de métodos para detecção e quantificação do atrito em válvulas de controle. Tais válvulas são, em geral, o elemento final em malhas de controle de processos industriais. A presença de atrito nessas válvulas pode elevar a variabilidade da malha de controle, causando perdas de qualidade do produto, aumento nas paradas para manutenção e impactos econômicos significativos. Muitos estudos foram realizados visando diagnosticar e medir o atrito. Neste trabalho, serão implementadas algumas técnicas propostas na literatura para detecção e quantificação de atrito em válvulas de controle. Para avaliar seu desempenho, serão apresentadas comparações dos resultados obtidos em simulação e ensaios em bancada com válvulas reais. / This work will study methods for detection and quantification of friction in control valves. These valves are the main final elements of control loops in industrial processes. The presence of friction can increase the variability of the control loop, causing loss of product quality, increase need of maintenance and significant economical impacts. Many studies have been presented in order to diagnose and measure the friction. In this work, some techniques proposed in the literature will be implemented. In order to evaluate its performance, it will be presented some comparisons of the results obtained from simulation and laboratory experiments.

O transporte pneumático de sólidos constitui uma aplicação comum em processos industriais petroquímicos, de mineração, de alimentos e agrícola. Entretanto, devido a limitações de ordem prática, a maioria das aplicações existente envolve o transporte de 1 a 400 toneladas por hora, através de distâncias de até 1000 m. Entre estas limitações, o consumo de potência provavelmente é a mais severa. Um sistema de transporte seguro e que apresente uma redução no consumo de potência pode ser implementado com técnicas não convencionais de controle. Este trabalho descreve a implementação de um controlador difuso em um circuito experimental de 45 mm de diâmetro interno utilizado para transportar sementes de Setaria Itálica ao longo de 21 metros. Informações obtidas com um estudo prévio de identificação de regimes gás - sólido através de redes neurais auto-organizáveis foram utilizadas no projeto do controlador. Os resultados mostraram uma redução significativa de 41%, em média, no consumo de potência requerida para o transporte de uma mesma carga de sólido. / The pneumatic conveying of solids in a gas stream is a recurrent process in petrochemical industries as well as in agricultural, food and mining. However, due to practical limitations the majority of existing systems have capacities ranging from 1 to 400 tones per hour over distances less than 1000 m, mainly because of a high power consumption per transported unit mass. A safe circuit with reduced power consumption can be designed using non-conventional control techniques. This work describes a fuzzy controller implementation for a 45 mm i.d. pneumatic conveying system used to transport Setaria Italica seeds over a distance of 21 m. Data obtained in a previous study about gas-solid flow regime identification through a self-organizing neural network were used in the controller design. The results show that reduction in power consumption can reach 41% when compared with classical non controller transport.

O atrito em válvulas e a sintonia inadequada de controladores são duas das maiores causas de degradação no desempenho das malhas de controle que incluem tais dispositivos. Assim como modelos de atrito são necessários para diagnosticar o mau funcionamento das válvulas ou para compensar os efeitos indesejáveis causados pelo atrito, modelos de processos são de fundamental importância para o projeto de controladores. Este trabalho estende métodos existentes para estimar parâmetros de modelos de atrito e processo, de modo que uma estrutura não-linear é adotada para representar o processo. O procedimento é baseado em dados de operação em malha fechada. Os algoritmos de estimação desenvolvidos são testados com dados simulados e gerados por uma plataforma híbrida (composta por uma válvula real e por uma planta simulada de neutralização de pH), a partir da qual avaliam-se as influências de perturbações, da magnitude do sinal de teste e da sintonia do controlador nos modelos estimados. Os resultados demonstram que o nível de atrito é corretamente quantificado, assim como bons modelos para o processo são estimados em diversas situações. Além disso, a extensão proposta apresenta vantagens significativas em relação a outros métodos, como: (1) maior exatidão na quantificação do nível de atrito, principalmente para processos em que as não-lineares sejam mais severas e (2) estimativas razoáveis do comportamento estático não-linear. / The friction in control valves and inadequate controller tuning are two of the major sources of performance degradation in control loops that include such devices. As friction models are needed to diagnose abnormal valve operation or to compensate such undesirable effects, process models play an essential role in controller design. This work extends existing methods that jointly identify the friction and process model parameters, so that a nonlinear structure is adopted to represent the process model. The procedure is based on data from closed-loop experiments. The developed estimation algorithms are tested with data from simulations and generated by a hybrid setup (composed of a real valve and a simulated pH neutralization process), in which the influences of the process disturbances, of the excitation signal magnitude and of the controller tuning on estimated models are investigated. The results demonstrate that the friction is accurately quantified, as well as good process models are estimated in several situations. In addition, the proposed extension presents significant advantages in relation to other methods, such as: (1) greater accuracy for friction quantification, especially for highly nonlinear processes and (2) reasonable estimates of the nonlinear steady state characteristics.

Este trabalho aborda o projeto de um manipulador robótico cilíndrico acionado pneumaticamente de baixo custo e com 5 graus de liberdade. Este robô está sendo desenvolvido para realizar operações de movimentação de peças que venham a substituir postos de trabalho com ambiente insalubre e/ou de ações repetitivas nas quais as exigências de precisão, velocidade e capacidade de carga sejam limitadas. Os requisitos de projeto foram obtidos por meio de uma pesquisa em uma fábrica de ferramentas manuais. É apresentada a proposta de uma estrutura mecânica para suprir parte significativa das necessidades usuais de movimentação de peças em indústrias manufatureiras e o seu correspondente modelo teórico dinâmico não-linear, considerando o equacionamento dos atuadores pneumáticos acoplados ao sistema mecânico. Finalmente, é apresentado o projeto de um controlador linear por meio da técnica de realimentação de estados, com os ganhos definidos pela alocação de pólos a partir de um modelo linearizado de 3ª ordem. Para validação do modelo teórico e do algorítmo de controle propostos são apresentadas simulações de movimentação ponto a ponto e seguimento de trajetória. Os resultados mostram que a precisão de posicionamento do efetuador final é adequada para as tarefas de manipulação. / This work proposes the design of a low cost cylindrical robotic manipulator actuated pneumatically with 5 degrees of freedom. This robot is being developed to perform manipulation of parts, aiming to replace tasks usually performed in unhealthy environment and/or repetitive actions in which the requirements of accuracy, speed and load capacity are limited. The project requirements were obtained through a research in a manual tools factory. It is proposed a geometry that is intended to meet a significant amount of the usual moving parts demands in manufacturing industries and its corresponding nonlinear dynamic theoretic model, considering the pneumatic actuators model coupled to the mechanical system. Finally, the application of a linear control-law based on the technique of state feedback with design made by pole assignment using a linearized model of 3rd order is described. For validation of the theoretic model and proposed control algorithm are presented simulations of point to point regulation problem and trajectory tracking. The results show that the positioning accuracy of the end effector is suitable for achieving the planned tasks.

Este trabalho discute o problema do controle preciso do seguimento de trajetórias de um servoposicionador pneumático. Um modelo matemático para o servoposicionador pneumático é apresentado, com atenção especial sendo dada à modelagem dos efeitos do atrito. Para a representação desses efeitos, é proposta uma modificação da estrutura matemática de um modelo de atrito amplamente utilizado no contexto dos algoritmos de controle em tempo real de servomecanismos (o modelo LuGre). A validade da aproximação proposta é justificada por meio de argumentos tanto analíticos como baseados em simulações. Com base no modelo para o atrito resultante da modificação proposta, apresenta-se um novo algoritmo de controle para o servoposicionador pneumático. Esse algoritmo é desenvolvido de acordo com a metodologia do controle em cascata, associada à técnica do controle a estrutura variável, sendo dotado de um esquema de compensação adaptativa dos efeitos do atrito e das forças externas aplicadas ao sistema. Uma análise de estabilidade completa é realizada para o sistema em malha fechada, onde são estabelecidas condições suficientes para que seja assegurada a convergência assintótica dos erros de seguimento para zero e dos parâmetros estimados a valores limitados. Também é apresentada uma análise de robustez do sistema controlado frente a incertezas nos parâmetros do modelo matemático do mesmo. O controlador proposto é avaliado por meio de testes por simulação e por aplicação a uma bancada experimental. / This work discusses the problem of the precise control of the trajectory tracking executed by a pneumatic positioning system. A mathematical model of the pneumatic positioning system is presented, with special emphasis given to the modeling of friction effects. For representing such effects, it is proposed a modification in the mathematical structure of a friction model that is widely employed in the context of the real-time control of servomechanisms (the LuGre model). The validity of the proposed approximation is justified by means of analytical arguments as well as simulation results. Based on the friction model that results from the proposed modification, a new control algorithm to be applied to the pneumatic positioning system is presented. Such algorithm is developed according to the cascade methodology, in association with the variable structure control technique and equipped with an adaptive compensation scheme of the effects of friction and external forces applied to the system. A complete stability analysis of the closed loop system is developed, and sufficient conditions are determined so that the asymptotic convergence of the tracking errors of the system to zero and of the estimated parameters to limited values is ensured. The robustness properties of the controlled system with respect to parametric uncertainties in its mathematical model are also analyzed. The performance of the controller is studied by means of simulation and experimental tests.