This research results from a cooperation program between research institutes of Brazil (ITA - São José dos Campos) and Germany (DLR - Oberpfaffenhofen). The global goal consists of three tasks: 1st) Analysisng the dynamics of elastic manipulators with emphasis for space applications. 2nd) Designing new adaptive control schemes for improving the manipulator performance. 3rd) Imprinting flight behaviour of space manipulators on ground using testbeds and simulation tools. Space manipulators, such as the European Robotic Arm (ERA), are light weight structures with elasticity in arms and joints, and with payload mass varying in a large range. DLR in Germany has set up a testbed, the Servicing Test Facility (STF), with a gravity-compatible replica of the ERA with counterbalancing weights. A 1:5 scaled prototype is ready and is called STF-P. These manipulators are modelled and simulated for testing new adaptive control schemes that have been developed for efficient reduction of settling time in space operation. The control design law supposes knowledge of damping (identified), mass moment of inertia (known) and the lowest eigenfrequencies, that depend also on the relative angle between upper and lower arms (links). Simplified models with exact solutions and more complex models with approximated solutions are discussed and compared for estimating these lowest eigenfrequencies with good agreement with experimental results (own and published by others). The controller has a feedforward part, that aims to make the arm to follow a given trajectory and a complementary feedback part actuates correcting the perturbations. The cases of a PI conroller for a motor velocity feedback enclosed by a P controller for load position feedback and PID controller for load position feedback only are specially studied. The design criterion is maximal distance between the imaginary axis of the system's root locus and the closest pole to it, but conceptions of relative stability are included. The poles are not strictly allocated, but their relative positions to each other are determined looking for fast step response with minimal overshoot. Numerical simulations and experiments with the STF-P and systems at the laboratories of ITA and INPE validate the results.

Como reflexo do aumento do grau de complexidade nos softwares e das exigências cada vez maiores impostas pela área espacial, a busca de processos que venham organizar e melhorar o desenvolvimento de software tem aumentado nos últimos anos. Muitas organizações implantam processos sem existir um objetivo estratégico bem definido. É cada vez maior a adoção a ferramentas de gestão estratégica como o Balanced Scorecard (BSC), que proporciona a organização transformar sua estratégia em ação, por meio de objetivos, indicadores de desempenho e uma aplicação integradora se tornando uma ferramenta essencial para a organização transmitir sua missão e estratégia em objetivos tangíveis e mensuráveis. É com este princípio que o presente trabalho tem como objetivo desenvolver o Balanced Scorecard e o seu respectivo mapa estratégico na área de software espacial, focando principalmente as áreas que dizem respeito à garantia da qualidade, utilizando-se os processos do Modelo de Capacidade e Maturidade Integrado (CMMI) que atualmente é um dos modelos de processos mais utilizados pela comunidade de software mundial em conformidade com as normas da European Space Agency (ESA) E-40 e Q-80 referentes a software espacial.

Uma antena-radar clássica é composta basicamente de uma fonte primária justaposta a um foco refletor parabólico. A lei de iluminação é estabelecida de maneira a satisfazer, tão precisamente quanto possível, a forma do feixe desejado. É a movimentação do conjunto que garante a cobertura de exploração desejada. O presente texto estuda o projeto e desenvolvimento de um servomecanismo capaz de suportar e posicionar uma antena de radar, dentro de parâmetros e restrições definidas. Os objetivos do trabalho são: levantar e estudar os fatores relevantes para especificação de um projeto de controle de posição de uma antena-radar através de servomecanismos; apresentar uma proposta de projeto de controle de posição através de servomecanismo; propor um modelo estrutural teórico consistente do conjunto antena-radar para fins de simulação dinâmica e análise modal da estrutura, e apresentar a implantação do sistema de controle proposto num projeto real de Engenharia, para o servomecanismo de uma antena de radar meteorológico. A proposta de controle foi aplicada com êxito no Modelo de Engenharia do Radar Meteorológico Doppler RMD700S-1M, desenvolvido pelo consórcio Omnisys/Atech, que foi instalado e opera em Mogi das Cruzes/SP. O texto apresenta, de forma estruturada, os fatores relevantes que devem ser levados em consideração para o desenvolvimento de um projeto deste tipo. Como conclusões do texto, são apresentadas considerações com relação ao projeto, apontando pontos positivos e negativos do desenvolvimento. / A classical radar antenna is basically composed of a primary source mounted at the focal point of a parabolic reflector. The illumination rule is established so that the desired beam-shape is attained, as precisely as possible. The physical motion of the set guarantees the coverage of the desired volume of exploitation. The actual text studies the design and development of a servomechanism capable of supporting and positioning a radar antenna, within well-defined parameters and restrictions. The aims of the dissertation are: determination and study of relevant factors for the specification of a control system design for the positioning of a servodriven radar antenna; presentation of a servo-driven positioning control system design proposal; proposal of a consistent theoretical structural model of the radar antenna set for the purpose of dynamic simulation and modal analysis of the structure and; presentation of the implementation of the proposed control system in a real Engineering design project: a servo-driven weather radar antenna. The control propose was successfully employed at the Engineering Model of the Doppler weather radar RMD700S-1M, developed by the trust Omnisys/Atech, installed and operant at Mogi das Cruzes/SP. The text presents, in a structured form, all relevant factor that must be taken into account in the development of such design. The conclusions drawn at the end of the dissertation are considerations regarding the design, which point out faults and weak points of the development.

Servoposicionadores pneumáticos são sistemas com tecnologia limpa, pois utiliza o ar comprimido como fluido de trabalho, leves, baratos e apresentam boa relação entre a capacidade de carga e a potência fornecida. Contudo, eles apresentam não-linearidades inerentes ao sistema pneumático, como efeitos devidos à compressibilidade do ar, ao atrito e vazamentos. Por estes motivos os controladores lineares mostram-se ineficientes para estes sistemas e é necessário utilizar estratégias de controle mais elaboradas, como, por exemplo, controle por redes neurais, controle com estrutura variável, controle adaptativo ou baseado em linearização por realimentação. Neste trabalho, foi estudada a aplicação do método de linearização por realimentação aliada ao método de controle por realimentação de estados e projeto por alocação de pólos ao controle de um servoposicionador pneumático. A estratégia de linearização por realimentação utiliza as estimativas das não-linearidades do modelo pneumático para linearizar o comportamento do servoposicionador pneumático e permitir o uso tanto de controladores lineares como não-lineares. A análise e prova das características de estabilidade completa do sistema em malha fechada com parâmetros conhecidos foi realizada, obtendo-se a garantia da convergência dos erros de seguimento para zero. Também foi realizada a análise de robustez, com a análise do comportamento do sistema frente às incertezas dos parâmetros estimados. Simulações e ensaios experimentais foram realizados para avaliar o comportamento e a eficiência do controlador proposto. Os resultados do controlador mostram-se promissores, com uma redução de aproximadamente 50% no erro de posição no seguimento de trajetória e na parada precisa com relação às técnicas lineares usualmente aplicadas a estes sistemas. Entretanto, no posicionamento percebe-se a influência do atrito, indicando que a sua compensação deve ser considerada em futuros desenvolvimentos. / Pneumatic positioning systems are clean, lightweight, cheap and present a good rate between the payload and supply power. However, this system shows a highly non-linear behavior, caused mainly by the compression of the air and the friction force. Linear strategies do not present an efficiently control in this kind of system and an improved design technique of control is needed, as neural network control, adaptive control, variable structure control or feedback linearization. In this work, it is developed the application of a feedback linearization control scheme integrated with the state feedback and pole placement method to a pneumatic positioning system. The feedback linearization strategy uses the non-linearities estimation of the pneumatic model to linearize the pneumatic positioning system and allow the use of linear or non-linear controls technique to control the behavior of the servopositioner. In this work, an analysis of the convergence properties of the closed-loop errors of the system when the proposed controller is employed is provided. It is shown that if the parameters are known than the system presents asymptotic convergence of the tracking errors to zero. The robustness properties analysis of the controller is also presented and the system behavior with the uncertainty parameters is analysed. Simulation and experimental tests were performed to assess the behavior and the efficiency of the feedback linearization control. The result of the proposed control shows to be promising on the reduction of position errors in trajectory tracking and in steadystate behavior. The tests show the presence of a strong influence of the friction force and that the friction comparation in techniques must be studied in futher developments.

No presente trabalho, é realizada a modelagem e identificação de um serovoposicionador hidráulico de uma bancada de testes. As expressões analíticas tradicionalmente utilizadas em uma estratégia em cascata aplicada ao controle de trajetória de posição são obtidas. A estratégia em questão utiliza, conjuntamente, a linearização por realimentação como lei de controle do subsistema hidráulico e a lei de controle de Slotine e Li no subsistema mecânico. Com base na mesma estratégia, um controlador em cascata neural é proposto. Em tal controlador, a função analítica que representa o mapa inverso, presente na linearização por realimentação, e a função de compensação de atrito utilizada na lei de Slotine e Li são substituídas por funções constituidas por meio de redes neurais de perceptrons de múltiplas camadas. Essas redes neurais têm como entradas os estados do sistema e também a temperatura do fluido hidráulico. O novo controlador é apresentado em uma versão onde as redes neurais são aplicadas sem modificações on-line e em outra, onde são apresentadas leis de controle adaptativo para as mesmas. A prova de estabilidade do sistema em malha fechada é apresentada em ambos os casos. Resultados experimentais do controle de seguimento de trajetórias de posição em diferentes temperaturas do fluido hidráulico são apresentados. Esses resultados demonstram a maior efetividade do controlador proposto em relação aos controladores clássicos PID e PID+feefforward e ao controlador em cascata com funções analíticas fixas. Os experimentos são realizados em duas situações: quando não ocorrem variações paramétricas importantes no sistema, onde é utilizado o controlador em cascata neural fixo e quando ocorrem essas variações, onde se utiliza o controlador em cascata neural adaptativo. / In this work, the modeling and identification of a hydraulic actuator testing setup are performed and the analytical expressions that are used in a cascade control strategy applyied in a position trajectory tracking control are designed. Such cascade strategy uses the feedback linearization control law in the hydraulical subsystem and the Slotine and Li control law in the mechanical one. Based on this cascade strategy, a neural cascade controller is proposed, for which the analytical function used as inversion set in the feedback linearization control law and the friction function compensation of the Slotine and Li control law are replaced by multi layer perceptrons neural networks where the inputs are the states of the system and the hydraulic fluid temperature. The novel controller is introduced in two different aproachs: the first one where the neural networks do not have on-line modifications and the second one where adaptive control laws are proposed. For both of them the stability proof of the closed-loop system is presented. Experimental results about some position tracking controls performed in different fluid temperature are showed. The results show that the novel controller is more efective than the classical PID, PID+feedforward and the traditional analytical cascade controller. The experiments are performed in two different setups: considering the system without importants parametric variations where is applied the non adaptive cascade neural controller and in the presence of parametric variations where is applied the adaptive cascade neural controller.

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.

No presente trabalho, é realizada a modelagem e identificação de um serovoposicionador hidráulico de uma bancada de testes. As expressões analíticas tradicionalmente utilizadas em uma estratégia em cascata aplicada ao controle de trajetória de posição são obtidas. A estratégia em questão utiliza, conjuntamente, a linearização por realimentação como lei de controle do subsistema hidráulico e a lei de controle de Slotine e Li no subsistema mecânico. Com base na mesma estratégia, um controlador em cascata neural é proposto. Em tal controlador, a função analítica que representa o mapa inverso, presente na linearização por realimentação, e a função de compensação de atrito utilizada na lei de Slotine e Li são substituídas por funções constituidas por meio de redes neurais de perceptrons de múltiplas camadas. Essas redes neurais têm como entradas os estados do sistema e também a temperatura do fluido hidráulico. O novo controlador é apresentado em uma versão onde as redes neurais são aplicadas sem modificações on-line e em outra, onde são apresentadas leis de controle adaptativo para as mesmas. A prova de estabilidade do sistema em malha fechada é apresentada em ambos os casos. Resultados experimentais do controle de seguimento de trajetórias de posição em diferentes temperaturas do fluido hidráulico são apresentados. Esses resultados demonstram a maior efetividade do controlador proposto em relação aos controladores clássicos PID e PID+feefforward e ao controlador em cascata com funções analíticas fixas. Os experimentos são realizados em duas situações: quando não ocorrem variações paramétricas importantes no sistema, onde é utilizado o controlador em cascata neural fixo e quando ocorrem essas variações, onde se utiliza o controlador em cascata neural adaptativo. / In this work, the modeling and identification of a hydraulic actuator testing setup are performed and the analytical expressions that are used in a cascade control strategy applyied in a position trajectory tracking control are designed. Such cascade strategy uses the feedback linearization control law in the hydraulical subsystem and the Slotine and Li control law in the mechanical one. Based on this cascade strategy, a neural cascade controller is proposed, for which the analytical function used as inversion set in the feedback linearization control law and the friction function compensation of the Slotine and Li control law are replaced by multi layer perceptrons neural networks where the inputs are the states of the system and the hydraulic fluid temperature. The novel controller is introduced in two different aproachs: the first one where the neural networks do not have on-line modifications and the second one where adaptive control laws are proposed. For both of them the stability proof of the closed-loop system is presented. Experimental results about some position tracking controls performed in different fluid temperature are showed. The results show that the novel controller is more efective than the classical PID, PID+feedforward and the traditional analytical cascade controller. The experiments are performed in two different setups: considering the system without importants parametric variations where is applied the non adaptive cascade neural controller and in the presence of parametric variations where is applied the adaptive cascade neural controller.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnologico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Macânica / Made available in DSpace on 2012-10-16T07:29:00Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T19:18:29Z : No. of bitstreams: 1 97684.pdf: 3921997 bytes, checksum: c270f1cf3732c3d8cf14ff52d2bd3f77 (MD5) / O presente trabalho é desenvolvido na área do "Retrofitting", atividade tecnológica orientada à modernização de máquinas-ferramenta NC e CNC. É apresentado um procedimento para a realização destes processos, uma descrição do processo realizado numa furadeira Pratt & Whitney, é proposto um procedimento para dimensionamento de servomotores e finalmente são apresentados os resultados medições dinâmicas feitas na máquina modernizada.

O presente trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema eletrônico de controle em tempo real para servoposicionadores pneumáticos baseado em microcontroladores. Os servoposicionadores pneumáticos, por apresentarem características tais como baixo preço, por serem não poluentes e de fácil utilização, além de apresentarem boa relação peso/potência, são atraentes para utilização na área de robótica. Entretanto, devido às suas não-linearidades inerentes, os servoposicionadores pneumáticos apresentam dificuldades que devem ser superadas para a sua adequada utilização em atividade de posicionamento preciso. Assim, visando compensá-las, estão sendo atualmente desenvolvidos algoritmos e técnicas cada vez mais complexas que exigem, por isso, ferramentas programáveis de controle com cada vez maior poder de processamento. Este trabalho apresenta, a partir de uma revisão bibliográfica, as soluções mais utilizadas para o controle digital de sistemas automáticos e de estudos sobre os dispositivos e componentes disponíveis no mercado, uma proposta econômica para o controle em tempo real de servoposicionadores pneumáticos. Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle desenvolvida foi utilizada para o controle de um servoposicionador pneumático. Para tanto, projetou-se e programou-se o tradicional controlador linear PID (Proporcional – Integral – Derivativo) e o controle não linear a estrutura variável baseado em modos deslizantes (Slide Mode Control). A partir dos resultados apresentados e das suas discussões pode-se avaliar o desempenho da arquitetura desenvolvida no controle do servoposicionador pneumático. / This work discusses the development of an electronic real-time control system for microcontroller-based pneumatic servopositioners. The servopositioners offer attractive characteristics for use in robotics, such as low price, non-polluting operation, being easy to use and with a good power/weight ratio. However, due to their inherent non-linearities, the servopositioners present difficulties in precise positioning applications. To compensate these difficulties, the use of complex algorithms and new techniques are currently being availed, requiring hardware for programmable control with increasing processing power. This paper presents an economic proposal for real-time control of servopositioners, starting from a literature review of the most popular solutions for digital control of automated systems and from studies of devices and commercial components currently available. To verify the efficiency of the proposed solution, the control architecture developed was used for the control of a pneumatic servopositioner. Therefore, we designed and programmed a traditional linear controller PID (Proportional – Integral – Derivative) and a nonlinear control based on variable structure sliding mode (Slide Mode Control). The results obtained in trajectory tracking tests were used to evaluate the performance of the developed architecture.

Este trabalho consiste na proposição de uma metodologia que garanta o projeto efetivo de controladores para utilização em sistemas de proteção, operação e supervisão de sistemas APM (Automated People Movers), utilizando como estudo de caso o Sistema Aeromovel. Automated People Movers (APM) são sistemas de transporte de passageiros com operação completamente automatizada (sem tripulação), trafegando em vias exclusivas e com alta frequência de serviço. Geralmente são operados em via elevada, acima dos obstáculos encontrados no nível do solo, de maneira a manter o espaço urbano de circulação. A automação completa de trens para transporte de passageiros é geralmente condição essencial para sua viabilidade financeira nos casos onde tem-se veículos pequenos para prover alta frequência de serviço. Em parte, a confiabilidade de um veículo com operação completamente automatizada aumenta com o uso de vias exclusivas impedindo a interferência de outros veículos ou pessoas na via, porém, uma metodologia de desenvolvimento do sistema de proteção, operação e supervisão que diminua a taxa de falhas e suas consequências é necessária por tratar-se de um sistema crítico. Este trabalho apresenta uma revisão das soluções utilizadas na construção de Sistemas APM e daquelas adotadas no controle digital de sistemas automáticos. Descreve-se o processo de construção do sistema de proteção, operação e supervisão baseados na proposta de ampliação da norma IEC 61850 e prova-se a importância do uso do processo de simulação, verificação formal e os testes de conformidade no desenvolvimento de um sistema de controle seguro para aplicação em Sistemas APM. Para cada etapa do trabalho são apresentados os testes de conformidade para verificação do modelo de controle proposto. / This work consists in the proposition of a methodology that guarantees the effective design of controllers for use in protection, operation and monitoring Automated People Movers System, using as a case study Aeromovel system. Automated People Mover (APM) are systems of passenger transport with entirely automated operation (without crew), traveling in exclusive ways and with high service frequency. They are usually operated at elevated highway above the obstacles encountered on the ground level, so as to keep the urban space circulation. The complete automation of trains for passenger condition is necessary for their economic viability in the cases where they have small vehicles to supply high frequency of service. The reliability of an fully automated vehicle operation increases with the use of exclusive right-of-way preventing access from other vehicles or people on the track, however, the development of a methodology for protection, operation and monitoring systems is necessary to decrease the rate of failures and their consequences. This work presents a review of the solutions used in the construction of APM systems and the digital control of automated systems. We describe the construction process of the protection, operation and supervision systems based on the proposed extension of IEC 61850 and proves the importance use of the simulation, formal verification and conformity tests to develop a safe control system. For each stage of the work, the compliance tests to verify the proposed control model are presented.