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.

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.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:55:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3681.pdf: 6414377 bytes, checksum: 609c96f2a53b8e4143ee1d04df73a40f (MD5) Previous issue date: 2011-03-03 / Universidade Federal de Sao Carlos / One of the most important parts in a pneumatic conveying is the solids feeding system due its complexity fluid dynamic, besides affecting the operational stability, economical and technical feasibility and system efficiency. The purpose of this wok was to carry out a experimental study of fluid dynamic of feeding configuration for different operational conditions, made of non-mechanicals devices and reduction nozzle combinations, considering the influence in all pneumatic conveying system. The feeders applied were inclined pipe and L-valve, with and without reduction nozzle. Moreover, the spouted bed and the horizontal feeders were analyzed as well, which on their original design has reduction area for the flow. An analyses and a comparison of the fluid dynamic data obtained for feeding configurations in a pneumatic loop with 53,4 mm of internal diameter tube and transporting 1 mm glass spheres showed a relationship between the operational conditions and the type of feeder, resulting in air velocity and solid flow rate characteristics for each case . This study also gives the idea to apply reductions nozzles combined with non-mechanicals solid feeder in order to increase the solid flow rate. Up to the moment, the reduction nozzle was indicated just to get better the operation stability. / Dentre as partes que compõem um leito pneumático, a alimentação de sólidos é uma das áreas mais importantes, devido à complexidade fluidodinâmica dessa região, além de afetar a estabilidade operacional, viabilidade técnica e econômica e eficiência do sistema. O presente estudo tem o objetivo de realizar uma avaliação experimental da fluidodinâmica de configurações de alimentação para diferentes condições operacionais, formadas a partir de combinações de alimentadores não-mecânicos e bocais restritivos, considerando a influência em todo o leito. Os alimentadores avaliados foram o tubo inclinado e a válvula-L, com bocais restritivos dos tipos redutor e Venturi. Além desses, foram avaliados o alimentador tipo jorro e a alimentação horizontal, que já contém em sua configuração original, regiões de constrição da passagem do escoamento. A análise e comparação dos dados fluidodinâmicos obtidos para as configurações de alimentação consideradas num loop pneumático com tubulação de diâmetro interno igual a 53,4 mm, quando este transporta esferas de vidro com diâmetro médio de 1 mm, mostraram uma relação entre as condições operacionais e o tipo de alimentação, produzindo intervalos de velocidades de ar de transporte e vazões de sólidos alcançadas característicos para cada caso. Esse estudo insere ainda a ideia da utilização de bocais restritivos combinados com alimentadores de sólidos não mecânicos, a fim de aumentar a vazão de sólidos transportada no sistema. Até então, o destaque dado aos bocais limitava-se a estabilidade de operação.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 parte1.pdf: 2316235 bytes, checksum: 0033949f9aa3743186479e5db2794978 (MD5) Previous issue date: 2011-03-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In large span footbridges, it has been observed that pedestrian traffic can induce low frequency oscillations. The proximity between the natural frequencies of the structure and the frequencies of the excitation can result in the occurrence of resonance phenomenon, causing difficulties to use the structure for fear of its collapse on the part of users. Notably, the increased amplitude of the vibration, in the lateral direction that have been induced by crowds of pedestrians were brought to attention by the behavior of some footbridges that presented excessive vibration in this direction such as the Millennium Bridge in London, Solferino Bridge in Paris, among others. The lateral movement can cause alteration on the movement of the center of gravity of the pedestrian during the crossing and thus discomfort to transit on it. On the other hand, the lateral movement of the structure can induce synchronization between pedestrians and the structure s own move, resulting in amplification of vibrations, a phenomenon identified in the literature by lock-in. However, research on the relationship between frequency and amplitude of motion of the structure and percentage of synchronization that this motion induces on the pedestrians are incipient, which hampers the development of mathematical models to analyze the phenomenon. To investigate this phenomenon, we developed a control system using fuzzy logic to control a pneumatic system excitation applied in a prototype footbridge built in the laboratory. The system was conceived to provide oscillatory movement, with control of frequency and amplitude. Results showed that pedestrians tend to synchronize with the footbridge, causing the lock-in effect in the lateral direction, when the footbridge lateral oscillation approaches by half of the pedestrian pacing rate in vertical direction. / Em passarelas de grande vão, vêm sendo observado que o tráfego de pedestres pode induzir oscilações de baixas frequências. A proximidade entre as frequências naturais da estrutura e as frequências de excitação pode resultar na ocorrência do fenômeno de ressonância, ocasionando dificuldades de uso da estrutura por receio de seu colapso por parte dos usuários. Notadamente, o aumento da amplitude das vibrações, na direção lateral, induzidas por multidões de pedestres, chamou à atenção pelo comportamento de várias passarelas que apresentaram vibrações excessivas nesta direção, tais como a Millennium Bridge, em Londres; Solferino Bridge em Paris; entre outras. O efeito do movimento lateral da passarela ocasiona alteração do movimento do centro de gravidade do pedestre durante seu percurso sobre a mesma e, desta forma, desconforto ao transitar sobre ela. Por outro lado, tal efeito pode induzir uma sincronização entre o caminhar dos pedestres na estrutura e o próprio movimento da estrutura, resultando em amplificação das vibrações, um fenômeno identificado na literatura por lock-in. Entretanto, investigações sobre a relação entre amplitudes e frequências do movimento da estrutura e percentual de sincronização que tal movimento induz nos pedestres são incipientes, o que dificulta o desenvolvimento de modelos matemáticos para analisar o fenômeno. Para investigação desse fenômeno, foi desenvolvido um sistema de controle, utilizando lógica fuzzy, para controlar um sistema pneumático de excitação aplicado em um protótipo de passarela construído em laboratório. Assim, tal sistema deve proporcionar a atuação de uma força oscilatória na passarela, com frequência e amplitude controladas. Os resultados da investigação mostraram que os pedestres tendem a sincronizar-se com a passarela, provocando o efeito lock-in na direção lateral, quando a passarela oscila lateralmente próximo da metade do valor da taxa de passo do pedestre na direção vertical.

A textura e a cor têm influência na aquisição, consumo, aceitação e preferência de biscoitos. Alguns ingredientes e etapas de processo podem influenciar diretamente nestes parâmetros. O açúcar é um dos principais ingredientes utilizados nas formulações de biscoitos, sendo o tamanho, ou diâmetro dos cristais um fator importante para o comportamento da massa e consequentemente para a textura e cor do produto. Tendo em vista que a movimentação do açúcar na indústria de alimentos é realizada geralmente por transporte pneumático,e os cristais são quebrados, alterando a granulometria e consequentemente interferindo nas características do produto. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi avaliar a influência do transporte pneumático na granulometria e cor de açúcar cristal e consequentes modificações no comportamento da massa e nos parâmetros textura e cor de biscoitos rosca sabor leite. Para tal, foram realizadas análises de granulometria e cor de açúcar cristal, bem como análises da massa e dos biscoitos elaborados. O açúcar foi obtido de três diferentes fornecedores, codificados como A, B e C, e foi aplicado na produção das massas e dos biscoitos roscas sabor leite em duas condições: antes do transporte pneumático (ATP) e depois de submetido ao transporte pneumático (DTP), totalizando seis produções diferentes de massa e de biscoitos. Todos os demais ingredientes e condições de processo foram mantidas sem alteração em todas as produções. Através da análise de granulometria foi determinado o valor de diâmetro médio dos cristais de açúcar e a avaliação colorimétrica possibilitou determinar os valores dos intervalos de cores L, a* e b* (CIELab) do açúcar. O comportamento reológico da massa de biscoitos foi avaliado através de análise de consistência, estabilidade e dureza. Os biscoitos rosca sabor leite foram submetidos a análises instrumentais e sensoriais (teste descritivo e afetivo), onde foram avaliadas a textura (dureza e fraturabilidade) e cor (L, a* e b*). A granulometria nas amostras de açúcar ATP foi significativamente maior (p<0,05) que nas amostras de DTP. Por outro lado, a análise de cor nas amostras de açúcar ATP apresentou luminosidade menor do que nas DTP (p<0,05). A dureza da massa foi maior (p<0,05) nas amostras onde foi aplicado o açúcar DTP. A textura do biscoito (dureza e a fraturabilidade) com açúcar ATP foram significativamente menores que os produzidos com açúcar DTP. A cor do produto com açúcar DTP foi maior (p<0,05) que no produto com açúcar ATP. A ACP mostrou correlação entre os dados instrumentais e sensoriais. De acordo com os resultados obtidos observou-se que o transporte pneumático influencia diretamente na granulometria e cor do açúcar, bem como na textura e cor do produto final. Sendo assim, conclui-se que a utilização de açúcar cristal submetido ao transporte pneumático (DTP) na produção de biscoitos rosca sabor leite resulta em produtos mais escuros, e com maior dureza. / The texture and color influence the acquisition, consumption, acceptance and preference biscuits. Some ingredients and stages of process can directly influence these parameters. Sugar is one of the main ingredients used in the formulations biscuits, and the crystal size an important factor in the mass performance and consequently to the texture and color of the product. Having in view that the movement of the sugar in the food industry is carried out usually by pneumatic transport, and the crystals are broken by changing the particle size and consequently interfering with the characteristics of the product. In this context, the objective of this study was to evaluate the influence of pneumatic conveying in particle size and color of crystal sugar and consequent changes in mass behavior and parameters texture and color of thread biscuits flavored milk. For such, particle size and color of crystal sugar analyzes were conducted, as well as the dough analysis and biscuits prepared. The sugar was obtained from three different suppliers, coded as A, B and C, and has been applied in production of dough and biscuits flavored milk thread, in two conditions: before the pneumatic transport (BPT) and after being subjected to pneumatic transport (APT), totaling six different productions of dough and biscuits. All the other ingredients and process conditions were maintained without change in all productions. Through the analysis of particle size was determined the value of mean aperture of sugar crystals and the colorimetric evaluation allowed us to determine the values of color ranges L, a * and b * (Cielab) of sugar. The rheological behavior of cookie dough was evaluated using analysis of consistency stability and hardness. The biscuits thread flavor milk have been subjected to instrumental and sensory analysis (descriptive and affective tests), which were evaluated texture (hardness and fracturability) and color (L, a * and b *). The particle size distribution in the samples of sugar BPT was significantly higher (p< 0.05) than in samples of APT. On the other hand, the analysis of color in the samples of sugar BPT showed brightness lower than in APT (p< 0.05).The hardness of the dough was higher (p <0.05) in samples where the Sugar APT was applied. The biscuit texture (hardness and fracturability) sugar BPT were significantly lower than those produced with APT sugar. The product color APT sugar was higher (p <0.05) in the product with sugar ATP. The PCA showed correlation between instrumental and sensory analysis. According to the results obtained, it was observed that the pneumatic transport directly influences the size and color of sugar, as well as the texture and color of the final product. Thus, it is concluded that the use of crystal sugar submitted to pneumatic transport (APT) in the production of biscuits milk flavor results in products darker, and with greater hardness.

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.

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.

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.