Controle não-linear em cascata de um servoposicionador pneumático com compensação do atrito

Abstract

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.