Controle não linear adaptativo com compensação de atriti de um manipulador scara com acionamento pneumático

Abstract

Sistemas pneumáticos se tornaram cada vez mais presentes em vários segmentos do mercado e são amplamente utilizados na indústria, principalmente devido à sua facilidade de manutenção, baixo custo, segurança e aplicabilidade em diversos processos. O desenvolvimento contínuo da tecnologia conduziu a um aumento nas pesquisas relacionadas ao controle de sistemas de servoposicionamento pneumático, resultando em algoritmos que têm avançado na direção da disponibilização de controle mais preciso destes sistemas. O presente trabalho se propõe ao desenvolvimento de um manipulador tipo SCARA composto por dois atuadores rotativos e um prismático, todos pneumáticos. Estes dispositivos apresentam grandes não linearidades, que dificultam seu controle. Assim, visa-se no presente trabalho o desenvolvimento de um controlador baseado em um modelo que possa superar as principais dificuldades relacionadas a essas não linearidades, como o comportamento não linear da relação pressão-vazão na servoválvula, a dinâmica dos gases na aleta e as forças de atrito O principal objetivo dessa tese é propor uma estratégia de controle baseada na Lei do Torque Computado Adaptativo com compensação explícita do atrito que contemple as peculiaridades dinâmicas estruturais deste tipo de sistema com aplicação de controle de trajetória. O modelo matemático para o atuador pneumático rotativo proposto no âmbito do presente trabalho e utilizado na síntese desse controlador foi avaliado por meio de resultados de simulações e experimentos executados em um protótipo projetado e construído também no escopo do presente trabalho. Os resultados da aplicação do controlador proposto, operando em regime de seguimento de trajetórias contínuas indicam que a estratégia de controle do Torque Computado Adaptativo, em conjunto com o esquema de compensação explícita do atrito, leva o sistema a uma redução dos erros de seguimento de trajetória em posição quando comparado com as técnicas do Torque Computado com parâmetros fixos, Torque Computado com parâmetros fixos com compensação explícita do atrito e Torque Computado Adaptativo sem a compensação explícita do atrito.

Pneumatic systems become increasingly present in different segments of the market and are widely used in industry, mainly due to their ease of maintenance, low cost, safety and applicability in various processes. The continued development of technology resulted in an increase in the research related to the control of pneumatic servo drive positioning systems, resulting in algorithms that have advanced in the direction of the availability of more precise control of these systems. This study has the purpose of to develop a type pneumatic driven SCARA manipulator that consists of a prismatic and two rotary actuators. These devices present highly nonlinear, which harder their control. Thus, the target of this work is to develop a controller based on a model that can overcome the main difficulties related to these nonlinearities, such as the nonlinear behavior of the pressure-flow ratio in the servo valve, the gas dynamics in the fin and friction. The main objective of this thesis is to propose a control strategy based on the Adaptive Computed Torque Law with explicit compensation of the friction that contemplates the structural dynamic peculiarities of this type of system with application of trajectory control The mathematical model for the rotary pneumatic actuator proposed in the present work and used in the synthesis of this controller was evaluated through simulations results and experiments executed in a prototype designed and also built in the scope of the present work. The results of the application of the proposed controller, operating in continuous trajectories tracking regime, indicate that the Adaptive Computed Torque control strategy, together with the explicit friction compensation scheme, leads the system to a reduction of the following errors trajectory in position when compared to techniques as Computed Torque with fixed parameters, Torque Computed with explicit friction compensation and Computed Torque Adaptive without explicit friction compensation.