Modelação e controlo de actuadores pneumáticos utilizando redes neuronais artificiais

• Type: Thesis
• Date: 2007

Authors

João Pedro Falcão Carneiro (Author) FEUP; Fernando Gomes Almeida (Technical adviser) FEUP

Scientific classification

CORDIS: Technological sciences > Engineering > Control engineering > Automation ; Technological sciences > Engineering > Control engineering > Robótica Robotics ; Technological sciences > Engineering > Mechanical engineering

Associated Institutions

FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

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Resumo (PT): Os sistemas pneumáticos constituem soluções económicas, robustas e compactas. Por estes motivos, a sua utilização encontra-se amplamente disseminada na indústria, em tarefas de manipulação e montagem. No entanto, a dificuldade no controlo do movimento de actuadores pneumáticos limita o campo de aplicação deste tipo de accionamento. Neste trabalho contribui-se para a resolução deste problema, através de um estudo aprofundado sobre modelação e controlo de sistemas servopneumáticos. A primeira parte do trabalho é dedicada à modelação. São propostos novos modelos de servoválvulas pneumáticas de três orifícios, baseados em redes neuronais artificiais (ANN), cuja eficácia é experimentalmente comprovada. Esta abordagem permite a aplicação directa de técnicas de controlo não linear que requeiram um modelo afim na acção de controlo. Um outro aspecto analisado em detalhe é o actuador do sistema, um cilindro pneumático. São identificados experimentalmente três modelos de atrito: viscoso, Karnopp e um modelo baseado em ANN. Propõe-se um novo procedimento que permite determinar experimentalmente o coeficiente de transferência de calor entre o ar no interior do cilindro e as suas paredes. Propõem-se também novos modelos termodinâmicos, de ordem reduzida, para a previsão da pressão no interior das câmaras do actuador. Os novos modelos são comparados com os existentes na literatura, concluindo-se que apresentam um desempenho superior. A segunda parte do trabalho é dedicada ao controlo e inicia-se com a síntese de diversos controladores lineares. Constata-se que a utilização deste tipo de controladores é inviabilizada por oscilações indesejadas que surgem no sistema. As causas destas oscilações são analisadas e justificadas. Apresenta-se, então, um novo controlador não linear que incorpora as ANN e um dos modelos termodinâmicos desenvolvidos anteriormente. Trata-se de um controlador baseado na separação entre a dinâmica de pressões e a do movimento: na primeira utiliza-se um retorno de estado não linear; na segunda um controlador de estrutura variante, com uma camada de suavização de espessura variável, função do ângulo de aproximação do estado à superfície de deslizamento. É ainda apresentada uma prova original da estabilidade do controlador de movimento. Os resultados experimentais comprovam um bom desempenho e robustez do sistema controlado: sem alteração nos parâmetros do controlador, atinge-se uma exactidão de ±5 μm no posicionamento arbitrário de uma carga cuja massa pode variar entre 2.69 e 13.1 kg. São também obtidas boas prestações no seguimento de diversas trajectórias de movimento.

Abstract (EN): The use of pneumatic devices is widespread among different industrial fields, in tasks like handling or assembly. Pneumatic systems are low-cost, reliable and compact solutions. However, its use is typically restricted to simple tasks due to the poor performance achieved in applications where accurate motion control is required. This work contributes to the solution of this problem by presenting a thorough study on both modeling and control of servopneumatic systems. A new approach to the modeling of three way servopneumatic valves is presented and validated with experimental data. This approach, based on artificial neural networks (ANN), allows the direct use of advanced nonlinear control algorithms without compromising the accuracy of the model. Another topic covered in this work is the pneumatic actuator model. Three friction models are experimentally identified: viscous, Karnopp and an ANN based model. A simple yet accurate procedure is proposed that enables the experimental evaluation of the heat transfer between air inside the cylinder and its environment. New reduced order models for prediction of pressure inside the actuator chamber are proposed and compared with the ones that exist in literature. It is concluded that the new models can lead to significant improvements. The last part of this work is dedicated to the control of the servopneumatic system. Initially linear controllers are developed and tested, but their use is hindered by the poor performance achieved. Furthermore, these controllers may lead to unwanted oscillations. The causes of these oscillations are analyzed and justified. A new nonlinear controller, that includes the ANN and one of thermodynamic models previously developed, is then presented. The controller is based on the separation between pressure and motion dynamics. Pressure is controlled using a nonlinear state feedback law. Motion is controlled using a variable structure controller with a variable boundary layer thickness. The thickness depends on the approach angle of the state to the switching surface. An original proof of the motion controller stability is provided. The overall controller is very accurate and robust to payload variations: an accuracy of ±5 μm is achieved when arbitrarily positioning payloads ranging from 2.69 to 13.1kg. This performance is achieved without retuning the controller. Good results are also obtained in trajectory following tasks.

Language: Portuguese

Type (Professor's evaluation): Scientific