Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-16T00:03:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T15:28:37Z : No. of bitstreams: 1 264053.pdf: 22432805 bytes, checksum: b373310f427609a9d0bb80e30271032d (MD5)

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.

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.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico, 1996 / Made available in DSpace on 2016-01-08T21:09:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 104622.pdf: 1977842 bytes, checksum: 04b08ea781fec8670dbaa33384be4680 (MD5) Previous issue date: 1996 / Apresentação de um modelo não linear que representa um posicionador pneumático. Análise das principais não linearidades envolvidas neste tipo de mecanismo. Estuda os elementos e características funcionais e propõe um modelo matemático para representar o atuador pneumático e servoválvula. O modelo é construído com parâmetros das equações extraídas de catálogos de fabricantes dos componentes, tornando a manipulação matemática menos complexa. Resultados experimentais são comparados com a simulação matemática para validar o modelo proposto.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:42:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 321220.pdf: 2611712 bytes, checksum: 5e257f3ef16139833451f0180be8afa0 (MD5) Previous issue date: 2013 / Este trabalho avalia a exatidão de posicionamento angular de um sistema de servoacionamento WEG que integra um servoconversor SCA06 e motores da série SWA 40 que serão futuramente empregados em sistemas LASER para corte e soldagem. Para esta avaliação desenvolveu-se uma bancada experimental de um grau de liberdade translativo constituida de: servoacionamento, fuso de esferas recirculantes e guias lineares, encoder incremental de referência, sistema de condicionamento de sinais compatível e computador. Os ensaios de posicionamento angular se baseiam na norma ISO 230-2 que abrange máquinas-ferramenta, com enfoque na precisão e repetibilidade de posicionamento. Realizaram-se deslocamentos angulares sequenciais com incremento de 45º e 225º, e ainda ensaios com deslocamentos angulares puntuais de 180º, 360º, 720º e 1800º. Além disto, foram realizados ensaios com deslocamentos angulares sequenciais de mesmo ângulo com sentidos opostos (ensaios de ida e volta), para a determinação da histerese. Os ensaios tiveram como objetivo qualificar o sistema quanto à exatidão de posicionamento angular e repetibilidade. A partir dos dados coletados nos ensaios foram determinados os valores médios e o desvio-padrão dos deslocamentos angulares, indicadores da exatidão do sistema. <br> / Abstract : This work evaluates the accuracy of angular positioning of a WEG servo system wich integrates a servodriver SCA06 and motors of SWA 40 series, that will be applied at cutting and welding LASER systems in future. For this evaluation an experimental equipament was developed with one translative degree of freedom, composed of: servo, recirculating ball screw and linear guides, reference incremental encoder, compatible signal conditioning system, and computer. The tests of angular positioning were based on ISO 230-2 standard that covers machine-tool, focused on precision and repeatability of positioning. Sequential angular displacements were performed with an increment of 45º and 225º, and, tests with punctual angular displacements of 180º, 360º, 720º and 1800º. Futhermore, sequential angular displacements tests were performed with opposites directions (going and returning tests), for the determination of hysteresis. The tests had the goal of qualify the systems as angular positioning accuracy and repeatability. From the collected data of the tests, averages values and the standard deviation of the angulars displacements were determined, accuracy indicators of the system.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-21T14:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 207180.pdf: 3272854 bytes, checksum: 86ed0d1e3fed0cf3b2d4871c979d3030 (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. / Made available in DSpace on 2012-10-19T21:49:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O presente trabalho aborda o estudo e a implementação da equação mecânica a um método de análise de máquinas elétricas associadas a circuitos elétricos externos. A máquina é modelada pelo Método de Elementos Finitos em duas dimensões. O equacionamento do circuitoé feito em variáveis de espaço de estados. Um acoplamento forte entre os dois sistemas de equações é obtido utilizando-se as grandezas comuns a ambos, isto é, as correntes e as tensões nos enrolamentos do dispositivo eletromagnético. A fim de validar o método proposto, foi desenvolvida uma Bancada Experimental.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-20T06:27:29Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os servoatuadores pneumáticos são relativamente baratos, leves, limpos 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 aplicados 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 possibilidade de superar estas dificuldades através do projeto adequado de algoritmos não-lineares de controle. Para tanto, desenvolveu-se inicialmente um modelo não-linear preciso 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 fórmula de passagem de fluidos compressíveis 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 do atrito em tempo real. Com base na modelagem desenvolvida, e a partir de uma discussão 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.

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.

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.