Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2010 / Made available in DSpace on 2012-10-25T06:51:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1
281742.pdf: 5027044 bytes, checksum: aca2efda5956243285381dffafdfd28e (MD5) / Este trabalho trata do problema de controle de robôs hidráulicos que utilizam válvulas proporcionais direcionais com centro supercrítico realizando seguimento de trajetória de posição e tem enfoque na compensação de zona morta destas válvulas. Os robôs hidráulicos apresentam grande capacidade de carga e um grande potencial de aplicação na indústria. Isto se deve a elevada relação força/dimensão dos atuadores hidráulicos e a capacidade que possuem para responder de forma rápida aos sinais de comando. No entanto, os robôs hidráulicos oferecem algumas dificuldades ao controle. Há, por exemplo, acoplamento de dinâmicas, dificuldades da estimativa de parâmetros do modelo matemático, variação de alguns parâmetros durante a operação e comportamento não-linear provocado pelo atrito no cilindro hidráulico e pela zona morta das válvulas proporcionais direcionais de centro supercrítico. Neste trabalho, uma estratégia de controle em cascata é aplicada com objetivo de superar estas dificuldades. Esta estratégia tem como característica a divisão do modelo matemático do robô hidráulico em subsistemas e permite a aplicação de técnicas de controle não-linear para superar as dificuldades inerentes de cada subsistema. Tanto o atrito no cilindro hidráulico quanto a zona morta da válvula provocam os erros de seguimento de trajetória do robô. O atrito influi na dinâmica do movimento no subsistema mecânico que tem como entrada a força produzida no cilindro pelo subsistema hidráulico e como saída a posição angular dos elos do robô. Os erros de seguimento de posição dos elos provocados pelo atrito podem ser reduzidos através de sua compensação direta no subsistema mecânico utilizando observadores de atrito baseados em modelos dinâmicos. A zona morta retarda a abertura da válvula gerando erros significativos de seguimento de força no subsistema hidráulico. Sua compensação pode ser realizada através de uma função inversa da zona morta. Assim, apresenta-se um controlador em cascata capaz de compensar a dinâmica da válvula e sua zona morta, a dinâmica da força hidráulica, do atrito e do movimento dos elos do robô. Apresentam-se, também, leis de adaptação de parâmetros para a função inversa da zona morta. A implementação destas leis adaptativas tem como objetivo principal a redução dos erros de seguimento no subsistema hidráulico através da compensação da zona morta e, consequentemente, a redução dos erros de seguimento de posição angular dos elos do robô. Mostra-se, através da análise de estabilidade por Lyapunov e de forma experimental, que os erros resultantes do seguimento de trajetória convergem para um conjunto residual mesmo quando o controlador em cascata não realiza a compensação do atrito e da dinâmica da válvula, mas utiliza as leis de adaptação e a compensação de zona morta propostas neste trabalho. Os resultados teóricos e experimentais permitem concluir que a compensação de zona morta também pode compensar, de forma indireta, outras dinâmicas como a do atrito. / This work addresses the problem of controlling hydraulic robots using overlapped proportional valves which perform trajectory tracking, with special focus on the dead-zone compensation of these valves. Hydraulic robots present great load capability and a huge potential of application in the industry. This is due to the high torque/size ratio of the hydraulic actuators and its ability to respond quickly to control signals. However, hydraulic robots introduce some difficulties to the control. There are, for example, dynamic coupling, problems to estimate the mathematical model parameters, changes in some parameters during operation and a nonlinear behavior mainly caused by friction in the hydraulic cylinder and the dead-zone of overlapped proportional valves. In this work, a cascade control strategy is applied to surpass these difficulties. This strategy is based on the division of the hydraulic robot mathematical model into subsystems and allows the application of nonlinear control techniques to overcame the inherent difficulties in each subsystem. Both the friction in the hydraulic cylinder and the dead-zone of the valve cause tracking errors in the robot trajectory. Friction influences the motion dynamics in the mechanical subsystem which has as input the force produced in the cylinder by the hydraulic subsystem and as output the angular position of the robot links. Tracking errors of the links positions caused by friction can be reduced through its direct compensation in the subsystem using mechanical friction observers based on dynamic models. The dead-zone slows the opening of the valve causing significant force tracking errors in the hydraulic subsystem. The compensation can be accomplished through an inverse function of the deadzone. Thus, this work presents a cascade controller able to compensate the dynamics of the valve and the dead-zone, the dynamics of the hydraulic force, friction and motion of the robot links. Adaptation laws for the dead-zone inverse function are also presented. The adaptation laws implementation has the main goal to reduce tracking errors of the hydraulic subsystem through the dead-zone compensation and consequently the reduction of angular position tracking errors of the robot. It
is shown through Lyapunov stability analysis and through experimental
ents that position tracking errors converge to a residual set even when the cascade controller does not perform compensation for friction and valve dynamics, but using only the adaptation laws and dead-zone compensation proposed in this work. Theoretical and experimental results showed that the dead-zone compensation may also compensate, indirectly, other dynamics such as friction.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/94127 |
| Date | 25 October 2012 |
| Creators | Machado, Cláudio Luís D'Elia |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, De Negri, Victor Juliano, Cunha, Mauro Andre Barbosa. |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | 216 p.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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