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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DESENVOLVIMENTO DE UMA ARQUITETURA PROGRAMÁVEL DE CONTROLE EM
TEMPO REAL PARA UM SERVOPOSICIONADOR PNEUMÁTICO
por
Guilherme de Oliveira Kunz
Dissertação para obtenção do Título de
Mestre em Engenharia
Porto Alegre, março de 2006
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DESENVOLVIMENTO DE UMA ARQUITETURA PROGRAMÁVEL DE CONTROLE EM
TEMPO REAL PARA UM SERVOPOSICIONADOR PNEUMÁTICO
por
Guilherme de Oliveira Kunz
Engenheiro Mecânico
Dissertação submetida ao Corpo Docente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Me-
cânica, PROMEC, da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do Título de
Mestre em Engenharia
Área de Concentração: Processos de Fabricação
Orientador: Prof. Dr. Eduardo André Perondi
Comissão de Avaliação:
Prof. Dr. Flávio José Lorini
Prof. Dr. José Antônio Esmério Mazzaferro
Prof. Dr. Luciano Antônio Mendes
Prof. Dr. Flávio José Lorini
Coordenador do PROMEC
Porto Alegre, 23 de março de 2006
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RESUMO
Este trabalho aborda o desenvolvimento de uma arquitetura de controle em tempo real para
servoposicionadores pneumáticos, baseada em computadores pessoais (PCs).
Os servoposicionadores pneumáticos são de baixo custo, leves, não poluentes e de fácil utili-
zação. Como apresentam boa relação entre peso e força, são bastante atraentes em aplicações de
robótica. Entretanto, devido a suas não linearidades, os servoposicionadores pneumáticos apre-
sentam dificuldades em seu controle. Visando compensá-las, são desenvolvidos algoritmos de
controle cada vez mais complexos, necessitando de ferramentas mais robustas quanto ao poder de
processamento.
Ferramentas com características necessárias para o desenvolvimento de algoritmos e para o
controle em tempo real de sistemas custam caro, o que dificulta o desenvolvimento de novas tec-
nologias de controle de servoposicionadores pneumáticos.
Este trabalho apresenta uma revisão das soluções utilizadas na construção de sistemas pneumá-
ticos de posicionamento e daquelas adotadas no controle digital de sistemas automáticos. Descreve-
se o processo de construção de uma bancada experimental, e o desenvolvimento das soluções em
hardware e software para o controle digital é discutido. Visando uma solução economicamente
atraente, são utilizados unicamente softwares de código aberto e de livre utilização, assim como
hardwares de baixo custo.
Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle é utilizada para realizar
a identificação dos parâmetros do sistema pneumático. Dentre eles, destacam-se a vazão mássica
e o atrito, informações importantes para simulação e controle do sistema. Também são utilizados
controladores do tipo Proporcional-Integral-Derivativo, implementados para apoiar o estudo do
desempenho da arquitetura no controle do servoposicionador pneumático.
i
ABSTRACT
“Development of a programmable realtime control architecture for a pneumatic servopositioning
system“
This work proposes the development of a PC-based, realtime control architecture for a pneu-
matic servopositioning system.
Pneumatic servopositioning systems are cheap, lightweight, non-polluant and easy to use. As
they have good weight-to-force ratio, they are attractive to robotics applications. However, due
to their nonlinear characteristics, servopneumatic drivers are difficult to be controlled. In order
to overcome these limitations, complex control algorithms are being developed, requiring more
robust tools with respect to processing capabilities.
The computational tools with the necessary characteristics for the development of the algo-
rithms and of the realtime control of these systems are rather expensive, restricting the development
of new control technologies for pneumatic servopositioning systems.
This work presents a review of the solutions used on the construction of pneumatic positio-
ning systems and of those adopted on the digital control of automatic systems. The process of
building an experimental bench is described, and the development of solutions in both hardware
and software for digital control is dicussed. Aiming the development of an economically attractive
solution, only open source softwares are used, as well as low cost hardware.
To verify the efficiency of the proposed solution, the control architecture is used to identify
the pneumatic servopositioning system parameters. Such parameters include mass airflow rate
and friction force, which are important for systems’ simulation and control. Position-Integral-
Derivative controllers were implemented to support the performance analysis of the software and
hardware architecture in the control of the pneumatic servopositioning system.
ii
SUMÁRIO
Lista de Símbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Lista de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 O Atuador Pneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 O Servoposicionador Pneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 O Controle Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Organização Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Revisão Bibliográfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Soluções para Servoposicionadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Servoválvula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Servoatuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Sensores de Posição e Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Soluções para o Controle Digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Controlador Dedicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Controladores Distribuídos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Controladores Orientados à Objetos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Microprocessadores e Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Técnicas de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Controladores PID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Controladores por realimentação de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 Linearização por Realimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
iii
2.3.4 Controle a Estrutura Variável . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.5 Controles baseados na interpretação de divisão em dois subsistemas . . . . 20
2.3.6 Controladores adaptativos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3.7 Algoritmos Genéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.8 Controle por lógica difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.9 Controle por redes neurais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3 Implementação Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Descrição Geral do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1 Componentes do Subsistema de Tratamento do Fluido . . . . . . . . . . . 27
3.3.1.1 Filtro e Regulagem de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1.2 Vaso de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Componentes do Atuador Pneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2.1 Servoválvula Direcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2.2 Cilindro Atuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.3 Transdutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3.1 Fonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.3.2 Encoder Incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3.3 Sensores de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 Sistema de Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4.1 Driver do Encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3.4.2 Conversão AD/DA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.4.3 Condicionamento de Sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.4.4 Microcomputador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4 Sistema de Controle e Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
iv
4.1 Funcionalidades do Sistema de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2 Sistema de Aquisição e Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.1 Sistemas de Tempo Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.2 Sistema Operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.3 Algoritmos de Controle dos Dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 Ambiente de desenvolvimento e monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3.1 Scilab/Scicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5 Determinação dos Parâmetros do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1 Caracterização do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.1.1 Vazão Mássica de Fluidos Compressíveis Através de Orifícios . . . . . . . 53
5.1.2 Identificação das Curvas de Vazão Mássica . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.1.3 Identificação do Atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.1.4 Temporização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6 Considerações Finais e Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Apêndice A -- Anexos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.1 Código do Decoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.2 Código de controle dos dispositivos do servoposicionador . . . . . . . . . . . . . . 75
A.3 Bloco do Scilab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
v
LISTA DE SÍMBOLOS
A área útil do êmbolo do pistão [m
2
]
A
o
área transversal de passagem do gás em um orifício [m
2
]
b razão de pressões crítica (ISO 6358)
C coeficiente de vazão da válvula (condutância) (ISO 6358) [m
5
/Ns]
C
f
coeficiente de atrito viscoso equivalente [N/(m/s)]
c
p
calor específico do ar a pressão constante [J/K
g
K]
c
v
calor específico do ar a volume constante [J/K
g
K]
e erro
e(t) função erro
f (.) função dependente do estado
F força [N]
F
a
força de atrito [N]
F
c
força de atrito seco (ou de Coulomb) [N]
F
e
força externa [N]
F
s
força de atrito estático (força de quebra) [N]
f
u(.)
função de tensão
f
p(.)
função de pressão
f
p(.,.)
função das pressões
F vetor força
g função vetorial contínua
K ganho constante, coeficiente de calibração
K
a
ganho de aceleração [V
2
s
/m]
K
d
ganho constante
K
p
ganho proporcional
K
sup
coeficiente linear de calibração da pressão de suprimento [P
a
/V ]
K
v
ganho de velocidade
L curso útil do cilindro atuador [m]
M massa [K
g
]
vi
p pressão absoluta [P
a
]
p
atm
pressão atmosférica [P
a
]
p
crit
relação de pressões crítica
p
∆
diferença de pressão entre dois pontos do circuito [P
a
]
p
d
pressão a jusante [P
a
]
P constante positiva
p
s
pressão de suprimento [P
a
]
p
sup
pressão de suprimento [P
a
]
p
u
pressão a montante [P
a
]
P
∆
diferença de pressão [P
a
]
q
m
vazão mássica [K
g
/s]
R constante do gás [K
g
J/K]
r razão de calores específicos do ar
S(.) superfície de deslizamento
T temperatura [K]
t tempo [s]
u sinal de controle [V]
V volume [m
3
]
V
i0
(i=1,2) volume morto na câmara incluindo as tubulações [m
3
]
˙
V vazão volumétrica [m
3
/s]
v
s
velocidade de limiar ou de Stribeck [m/s]
x
v
deslocamento do carretel controlador da servoválvula [m]
y(t) deslocamento do êmbolo do pistão [m]
y
d
posição final desejada [m]
y
d
(t) trajetória desejada [m]
˙y
r
velocidade de referência [m/s]
β módulo de elasticidade volumétrica [N/m
2
]
ρ massa específica [K
g
/m
3
]
vii
w freqüência [rad/s]
w
n
freqüência natural [rad/s]
∆ variação
(˙) derivada primeira
(¨) derivada segunda
()
atm
sub-índice de referência a pressão atmosférica
()
crit
sub-índice indicador de condição crítica ou de saturação
()
d
sub-índice indicador de condição desejada
()
ench
superíndice indicador de condições de enchimento da câmara
()
exau
superíndice indicador de condições de enchimento da câmara
()
i
sub-índice indicador de condições iniciais ou de elemento individual
()
max
sub-índice indicador de condição de valor máximo
()
min
sub-índice indicador de condição de valor mínimo
()
(n)
superíndice indicador de enésima derivada
()
p
sub-índice indicador de pressão
()
r
sub-índice indicador de referência
()
s
sub-índice indicador de condição de pressão de suprimento
()
sup
sub-índice indicador de condição de pressão de suprimento
()
u
sub-índice indicador de tensão
()
∆
sub-índice indicador de diferença
viii
LISTA DE FIGURAS
1.1 Equilíbrio de forças no êmbolo do cilindro atuador (Perondi, 2002) . . . . . . . . . 3
1.2 Servoposicionador pneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Controle Digital de Processos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Tendências de desenvolvimento de Software versus Hardware . . . . . . . . . . . 5
2.1 Cilindro Pneumático sem Haste (Festo Corporation, 2005) . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Aplicação de um cilindros pneumáticos sem haste (Festo Corporation, 2005) . . . . 9
2.3 Controle dedicado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Controle Distribuído . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Esquema simplificado para controle de posição PID . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.6 Controle por realimentação de estados (PVA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.7 Linearização por realimentação de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.8 Fenômeno de Chattering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.9 Controlador por modos deslizantes aplicado a servoposicionadores . . . . . . . . . 20
2.10 Interpretação do sistema de posicionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.11 Controlador auto-adaptativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.12 Algoritmo genético para otimização dos parâmetros do controlador PID . . . . . . 22
2.13 Controlador por lógica difusa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.14 Controlador MNN com realimentação proporcional de posição . . . . . . . . . . . 23
2.15 Controle por redes neurais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1 Bancada de testes no Laboratório de Robótica da UFRGS. . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Esquema da bancada experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 Unidade de tratamento e regulagem de pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4 Servoválvula controladora de vazão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Representação de forças no cilindro atuador (Festo Corporation, 2005) . . . . . . . 30
3.6 Encoder incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Conexão do carro móvel do êmbolo do cilindro pneumático com a correia dentada . 32
ix
3.8 Sinais do encoder incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.9 Condicionador de sinais para o encoder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.10 Esquema do circuito do microcontrolador PIC18F2550 . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.11 Esquema do processo de contagem de pulsos (“Contador”) . . . . . . . . . . . . . 35
3.12 Comando “zerar” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.13 Diagrama esquemático do comando “ler” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.14 Esquema do processo de comunicação com a unidade de controle . . . . . . . . . . 37
3.15 Condicionamento de sinais para os sensores de pressão . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.16 Condicionamento de sinal do controle da servoválvula . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.1 Diagrama de funcionalidades do sistema de controle . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Informações temporais sobre processos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.3 Sistemas determinísticos versus probabilísticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.4 Visão geral do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5 Sistema de controle e acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.6 Exemplo de implementação de programa de controle em ambiente Scilab/Scicos. . 50
4.7 Sistema de desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.8 Sistema de Monitoramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.1 Estrangulamento na passagem do fluido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2 Vazão Mássica Teórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Curvas experimentais pressão x tempo x tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4 Curvas experimentais vazão x tempo x tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.5 Curvas experimentais vazão x pressão x tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.6 Curvas experimentais estáticas de vazão versus pressão . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.7 Curvas experimentais estáticas de vazão versus tensão . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.8 Curva estática de força de atrito pela velocidade constante (Perondi, 2002) . . . . . 61
5.9 Resposta do controlador PID para velocidade de 0.1m/s . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.10 Mapa estático de atrito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
x
5.11 Períodos dos ciclos de aquisição e acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
A.1 Bloco de representação do servoposicionador no sistema Scicos/Scilab . . . . . . . 80
xi
LISTA DE TABELAS
3.1 Válvula reguladora e filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Vaso de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Válvula direcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Silenciadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.5 Servoatuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6 Fonte chaveada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 Encoder incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.8 Precisão do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.9 Sensores de Pressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.10 Informações técnicas do PIC18F2550 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.11 Placa de aquisição de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.12 Informações técnicas do microcomputador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.1 Dados da bancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.2 Atrito para ˙y > 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3 Atrito para ˙y < 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.4 Tempo dos ciclos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
xii
1
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo estão descritos os principais aspectos referentes à motivação para a realização
do presente trabalho. Esta descrição engloba também uma breve introdução sobre a utlização de
servoatuadores e servoposicionadores pneumáticos na indústria assim como as características ne-
cessárias aos sistemas para realizarem o seu controle. Além disso, neste capítulo são apresentados
também os objetivos e a organização geral da dissertação.
1.1 Motivação
O uso da pneumática em sistemas de posicionamento é comum em diversos sistemas auto-
máticos tais como: acionamentos de robôs indústriais (Andrighetto et al., 2005a), manipulação e
movimentação de material, máquinas indústriais alimentícias, linhas de montagem e pequenas má-
quinas e sistemas automáticos utilizados em diferentes processos da manufatura (Virvalo, 1995).
Trabalhos realizados em indústrias manufatureiras indicam que aproximadamente 70% das
aplicações de manipulação de peças são realizadas sobre massas que variam de 1 a 10kg, sendo
requeridas precisões de posicionamento que variam de 0,2mm a 1mm. Isto se enquadra dentro do
campo de aplicação da servopneumática (Latino e Sandoval, 1996).
Como vantagens da utilização de sistemas pneumáticos observa-se o baixo custo quando com-
parados com outros sistemas tecnológicos, boa relação peso/potência, facilidade de manutenção,
rápida atuação em altas acelerações, flexibilidade de instalação e utilização de fonte de energia
limpa e disponível em grande parte das plantas industriais: o ar (Cruz, 2003).
Em contraste com as vantagens descritas acima, encontra-se presente em sistemas pneumáticos
um comportamento oscilatório proveniente do atrito nos atuadores e da compressibilidade do ar
(Andrighetto et al., 2005a). Este comportamento é crítico principalmente em baixas velocidades
de deslocamento (Guoliang e Xuanyin, 2003). O emprego da pneumática é portanto mais comum
para situações de posicionamento ponto-a-ponto.
A servopneumática consiste de uma técnica de acionamento relativamente barata, onde o com-
ponente mais caro é a servoválvula. Devido a problemas oriundos da compressibilidade do ar e
do atrito, a maior dificuldade de desenvolver aplicações precisas utilizando esta tecnologia está
no seu controle. Sistemas pneumáticos geralmente necessitam de bons modelos matemáticos que
representem as não linearidades inerentes ao sistema (Bobrow e McDonell, 1998). Pesquisas sobre
a compensação do atrito em atuadores pneumáticos já vem sendo desenvolvidas, como em Perondi
(2002) e Valdiero (2005).
2
A evolução tecnológica, principalmente na eletrônica e no ramo de software, tem proporcio-
nado recursos computacionais para o desenvolvimento de algoritmos mais complexos, sendo uma
tendência do mercado de investir mais em soluções em software frente ao hardware (Sun Mi-
crosystems, 2004).
A solução proposta por grande parte dos pesquisadores na área (Perondi, 2002; Rajendran e
Bolton, 2003) para superar as dificuldades encontradas no emprego da servopneumática está no
desenvolvimento de algoritmos de controle. Estes algoritmos, que estão a cada dia mais sofistica-
dos e complexos, necessitam de sistemas de controle digital com maior flexibilidade e poder de
processamento matemático. Trabalhos anteriores, como Vieira (1998), demonstram a necessidade
da utilização de freqüências de controle maiores que 1KHz devido à rápida resposta dos sistemas
pneumáticos.
Soluções comerciais utilizadas para o sistema de controle de posicionamento servopneumá-
tico (Perondi, 2002; Vieira, 1998; Andrighetto et al., 2005b) chegam a custar mais de 30 mil reais
(veja dSPACE GmbH (2005)). Deste modo, o alto custo compromete a expansão das aplicações
de servopneumática na indústria em problemas de precisão.
Este trabalho tem como principal motivação o desafio de desenvolver um servoposicionador
pneumático de baixo custo e preciso. Para tanto, propõe-se estruturar uma bancada para um ser-
voposicionador pneumático e desenvolver uma arquitetura de controle econômica e flexível para a
mesma. Esta arquitetura deve permitir a implementação de algoritmos de controle que forneçam
um posicionamento preciso e confiável. Com isto, esta bancada deverá também colaborar com o
desenvolvimento de tecnologias que permitam a disseminação de servoposicionadores na indústria
brasileira através da diminuição de custos na implementação.
Para tanto, foi feito um levantamento bibliográfico sobre as soluções já utilizadas na imple-
mantação de servoposicionadores e nas possibilidades de controle. Foram analisados os requisitos
necessários para manter a flexibilidade no desenvolvimento de algoritmos de controle, garantias
sobre os tempos do processo e, devido a restrições orçamentárias, o baixo custo da solução.
1.2 O Atuador Pneumático
Os sistemas que possibilitam posicionar uma carga mecânica a partir de um conjunto de coor-
denadas (x, y, z) são chamados de sistemas de posicionamento. Esta localização pode ser fixa ou
variável no tempo e, nestes casos, os sistemas de posicionamento são, algumas vezes, chamados
de seguidores.
Um componente importante do sistema é o elemento que aplica a força sobre a carga mecânica
para levá-la até a posição desejada. Este elemento é chamado de motor ou atuador podendo ser
3
elétrico, hidráulico ou pneumático (Cruz, 2003).
Atuadores pneumáticos têm como vantagem sobre acionamentos elétricos, a ausência de mo-
tores pesados, geralmente com sistemas complexos de trasmissão por engrenagens (Liu e Bobrow,
1988). O acionamento elétrico também é relativamente caro devido ao alto custo dos servomoto-
res. Em aplicações de robótica móvel, a ausência de engrenagens rígidas, como nas soluções nas
quais utiliza-se músculos pneumáticos, são atrativos para o desenvolvimento de robôs flexíveis e
com tamanho reduzidos (Granosik e Borenstein, 1998).
As equações de equilíbrio dinâmico de um cilindro pneumático, como mostrado no modelo da
Fig. 1.1, descrevem o funcionamento básico do sistema.
Figura 1.1 – Equilíbrio de forças no êmbolo do cilindro atuador (Perondi, 2002)
Este equilibro de forças é obtido pela aplicação da 2
a
lei de Newton:
M ¨y + F
a
+ F
e
= A(p
1
− p
2
) (1.1)
onde M é a massa deslocada, F
a
é a força de atrito, F
e
é a força externa, p
1
é a pressão na câmara
1, p
2
é a pressão na câmara 2, A é a área do êmbolo e A(p
1
− p
2
) é a força resultante da diferença
entre as câmaras.
Para controlar a variação destas pressões assim como a posição, velocidade e aceleração do
êmbolo, utiliza-se uma ou mais servoválvulas. Este sistema é chamado de servoatuador pneumá-
tico. Quando o sistema é realimentado com a posição (permitindo o controle da posição) ele é
denominado servoposicionador pneumático.
1.3 O Servoposicionador Pneumático
Servoposicionadores pneumáticos são compostos basicamente por uma servoválvula que con-
trola a vazão de ar na direção de um cilindro cujo êmbolo está ligado à massa que se deseja
posicionar. Os principais elementos de um servoposicionador pneumático estão esquematizados
na Fig. 1.2.
4
Figura 1.2 – Servoposicionador pneumático
A válvula direcional mostrada na Fig. 1.2 possui o sistema de controle da direção da vazão
baseado em carretel deslizante. Segundo Pinches e Callear (1996) este é o tipo mais comum de
válvula utilizada em servoposicionadores pneumáticos para a transmissão de potência para o atu-
ador. O deslocamento do carretel da válvula x
v
é muitas vezes provocado pela tensão (u) aplicada
ao solenóide. Assim, de acordo com a tensão aplicada, ocorre o deslocamento x
v
(u) do carretel da
servoválvula, estabelecendo a diferença de pressão no êmbolo do cilindro.
1.4 O Controle Digital
Para o controle preciso de seguimento de trajetórias é necessário utilizar tecnologias que per-
mitam a aquisição de dados (posição e, muitas vezes, também as pressões nas câmaras), seu trata-
mento por algoritmos de controle e a posterior atuação no sistema físico (sinal para servoválvula
direcional). Este processo é chamado de controle digital de processos.
A utilização de sistemas de controle avançados possibilita, por exemplo, a compensação do
atrito, aumentando a precisão no uso da pneumática para fins de posicionamento preciso na indús-
tria.
O controle digital, é atualmente, na maioria dos casos, baseado em microprocessadores ou mi-
crocontroladores, que executam processos continuamen te (Kilian, 2000). O controle de processo
consiste na leitura da trajetória requerida e dos valores dos sensores e na utilização destes dados
para calcular a saída enviada para o atuador, como mostra a Fig. 1.3.
Quanto menor o período de tempo necessário para a repetição deste processo, maior a pos-
sibilidade de precisão no posicionamento. Esta é a diferença fundamental quanto ao processo
5
Controle Digital
DAC Atuador Planta
ADC Sensores
Trajet´oria Programada Dados Digitalizados
Dados Digitalizados
Dados Anal´ogicos
Vari´avel Controlada
Dados Anal´ogicos
Figura 1.3 – Controle Digital de Processos
analógico que é contínuo e possui resposta muito mais rápida do que a grande maioria dos siste-
mas físicos controlados. Também, nos processos digitais, busca-se um tempo entre cada interação
que seja muito pequeno quando comparado com o tempo de resposta do sistema físico controlado
(Kilian, 2000).
Como já enfatizado, o avanço da tecnologia atual direciona-se à utilização de algoritmos de
controle complexos do que ao desenvolvimento de hardware específico. Isto torna o sistema fle-
xível e diminui os custos de atualização ou manutenção, conforme ilustrado na Fig. 1.4 (Sun Mi-
crosystems, 2004).
Passado Presente Futuro
HARDWARE
HARDWARE
HARDWARE
SOFTWARE
SOFTWARE
Figura 1.4 – Tendências de desenvolvimento de Software versus Hardware
1.5 Objetivos
O objetivo geral é o de desenvolver, a partir do uso de ferramentas computacionais gratuitas
(Software Livre), um sistema de controle em tempo real a baixo custo, que permita controlar um
servoposicionador pneumático.
Os principais objetivos específicos deste trabalho são os seguintes:
• estruturar uma bancada experimental com um servoposicionador pneumático.
6
• instrumentar a bancada com sensores de pressão nas câmaras e de posição do êmbolo do
cilindro atuador.
• desenvolver um sistema de leitura de medidas de sensores e de controle para servoposicio-
nadores pneumáticos.
• analisar e validar ferramentas para realização do desenvolvimento de algoritmos de controle.
• testar a solução de controle e a implementação experimental com a utilização de um algo-
ritmo de controle linear.
• identificar dos parâmetros da bancada.
1.6 Organização Geral
No Capítulo 2 apresenta-se uma revisão bibliográfica sobre as soluções já desenvolvidas para
o sensoriamento e controle de servoposicionadores pneumáticos. No Capítulo 3 é feita uma des-
crição do sistema físico do servoposicionador e seu funcionamento. Neste capítulo também são
tratados os procedimentos de montagem da bancada. No Capítulo 4 é feita uma análise sobre as
soluções utilizadas para o controle da bancada. Neste mesmo capítulo são analisados e descritos
os algoritmos utilizados e funcionalidades fornecidas pelo sistema. No Capítulo 5 são apresenta-
dos os resultados dos testes realizados para verificar o desempenho tanto do sistema de controle
quanto do servoposicionador. No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões do presente trabalho
e sugestões para trabalhos futuros.
7
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo são descritas as soluções encontradas na bibliografia para a implantação de
servoposicionadores pneumáticos. São abordados os meios encontrados para realizar o controle
digital, incluíndo o monitoramento da posição e pressão nas câmaras do cilindro e o acionamento
da servoválvula. São também descritas algumas das técnicas de controle mais utilizadas para o
controle de servoposicionadores.
2.1 Soluções para Servoposicionadores
Em processos de fabricação indústrial é comum encontrar aplicações onde são necessários des-
locamentos de peças em linhas de montagem ou entre estações de trabalho. Em alguns casos, este
deslocamento é realizado por robôs, para que trajetórias mais complexas possam ser executadas,
como nas aplicações de soldagem robotizada.
A utilização da pneumática tem sido adotada para aplicações industriais que necessitam de
controle preciso de posição e velocidade, principalmente quando custos reduzidos e ambiente
limpo são requisitos básicos para a solução. Porém, é mais comum utilizar atuadores hidráulicos
ou elétricos devido à dificuldade de trabalhar com os atuadores pneumáticos, pois estes possuem
não-linearidades que dificultam seu controle, conforme discutido anteriormente.
Para aplicações de pequeno e médio porte (até 1kW), dispositivos pneumáticos possuem me-
lhor relação custo-benefício quando comparados a dispositivos elétricos e hidráulicos (Harrison
et al., 1987). Visando a diminuição de custos, trabalhos vêm sendo desenvolvidos para aumentar
a eficiência dos sistemas pneumáticos, principalmente através da diminuição do desperdício de ar
comprimido. Este ar, após passar pelo circuito pneumático, geralmente é jogado para atmosfera. A
reutilização do ar comprimido é pauta de trabalhos como Bachmann e Surgenor (1997) e Arinaga
et al. (2000) que visam o reaproveitamento do ar de exaustão para realimentar a planta.
Nas próximas seções são abordadas as diferentes possibilidades de implementação de cada
componente de um sistema de servoposicionamento pneumático.
2.1.1 Servoválvula
Existem duas configurações geralmente utilizadas para as servoválvulas nos servoposiciona-
dores pneumáticos. A primeira e menos utilizada consiste na disposição de uma servoválvula
reguladora para cada câmara do atuador. Isto implica na possibilidade de existência de um sinal
de controle para cada servoválvula, como encontrado em Cruz (2003) e Lin et al. (1996), adicio-
8
nando assim maior complexidade ao sistema de controle. A segunda configuração é mais comum
e consiste no uso de uma servoválvula direcional que permite o controle da direção da vazão di-
retamente por um único sinal de controle como encontrado em Vieira (1998), Perondi (2002), Pu
et al. (1997), Virvalo (1995), dentre outros. Segundo as especificações técnicas de servoválvulas
direcionais, esta é a mais indicada para casos de controle de posição (Festo Corporation, 2005).
2.1.2 Servoatuador
O servoatuador pneumático é o responsável por converter a diferença de pressão do ar em
movimento mecânico. Conforme Dorf (1989) existem dois tipos básicos de servoatuadores pneu-
máticos: atuadores lineares (pistão/cilindro) e rotacionais.
Atuadores rotacionais convertem a diferença de pressão do ar em movimento rotacional. Estes
tipos de atuadores são utilizados, por exemplo, em parafusadeiras, podendo operar em diferentes
velocidades (Renn e Liao, 2004).
Atuadores lineares pneumáticos possuem grande variedade de forma, tamanho e capacidade de
carga. Quanto ao tipo de acionamento, existem dois tipos principais de configuração de atuadores
lineares: cilindros de dupla ação e cilindros de ação unidirecional. Os cilindros de dupla ação são
conectados a uma vávula direcional por meio de duas tubulações, uma de cada lado, que comandam
a diferença de pressão no êmbolo, movimentando-o. Os cilindros de ação unidirecional, como os
utilizando em Yin e Araki (1998), são conectados por uma única tubulação a válvula reguladora
que controla a força unidirecional de atuação no êmbolo. A força contrária à atuação pneumática
é realizada por um sistema de molas de retorno.
Figura 2.1 – Cilindro Pneumático sem Haste (Festo Corporation, 2005)
Além dos modos de ação do ar comprimido, os atuadores lineares podem ser fabricadas com
haste ou sem haste. O cilindro pneumático sem haste possui como principal vantagem, compa-
9
rado a cilindros com haste, a redução de espaço necessário para instalação, permitindo aumento
no curso de alcançe do atuador. A partir das figuras Fig. 1.1 e Fig. 2.1 pode-se observar as carac-
terísticas construtivas de ambas soluções e na Fig. 2.2 um exemplo d e aplicação destes atuadores
para contrução de um robô cartesiano.
Figura 2.2 – Aplicação de um cilindros pneumáticos sem haste (Festo Corporation, 2005)
2.1.3 Sensores de Posição e Pressão
Para o controle da posição de um atuador pneumático é necessário monitorar em tempo real
a posição do pistão para fechar o ciclo de controle, conforme mostrado na Fig. 1.3. Para isto
empresas como a Festo já acoplam sensores de posição em algumas soluções de cilindros atuadores
(Festo Corporation, 2005).
Os sensores de posicionamento geralmente utilizados são potenciômentros, encoders óticos e
transdutores lineares absolutos (LVDT - Linear Variable Differential Transformer).
Os transdutores lineares absolutos (LVDT) utilizados, por exemplo, por Atmanand e Konnur
(1999) e Richardson et al. (2001), possuem grande resolução e oferecem como vantagem a eli-
minação da necessidade de reposicionar o êmbolo na posição inicial durante cada inicialização
do processo, assim como a eliminação de problemas característicos de sistemas mecânicos como
folga em engrenagens e vibrações provindas do contato entre os materiais.
10
Sensores potenciométricos normalmente possuem custo menor, podendo ser rotacionais ou
lineares. Baseiam-se no princípio de conversão de diferença de resistência elétrica em tensão
elétrica. Para aplicação de sensores potenciométricos há a necessidade de utilizar conversores AD
como em Perondi (2002), Vieira (1998) e Andrighetto et al. (2005b).
A utilização de encoders óticos para aquisição da posição do atuador linear pode ser encon-
trado em trabalhos como Pu et al. (1992) e Lin et al. (1996). A maior das vantagens na utilização
de encoders é que o sinal obtido já está no formato digital, evitando perdas de precisão provindas
do processo de conversão AD.
Quanto à forma de determinação da posição, existem dois tipo de encoders óticos: absolutos
e relativos. As vantagens de utilizar encoders absolutos estão relacionados com a possibilidade
de realizar as medições sem a necessidade de reposicionar o atuador em sua marca inicial a cada
experimento. Os encoders absolutos fornecem o valor global de posição a cada instante, não
ocorrendo erros acumulativos. Estes sensores, porém, não são aplicáveis para resoluções eleva-
das, além disso, suas caracterecterísticas construtivas são mais complexas quando comparados a
encoders incrementais. Geralmente, por isso, são mais caros.
Encoders incrementais possuem estrutura mais simples e necessitam da utilização de um de-
coder, ou seja, um sistema contador de pulsos que tem a função de definir a posição do atuador. O
sistema de contagem de pulsos deve ter desempenho adequado à velocidade do acionamento, pois
poderá “perder” pontos caso não consiga realizar a contagem na velocidade adequada. Encoders
incrementais devem emitir, no mínimo, dois pulsos defasados de noventa graus. Estes sinais são
normalmente chamados de pulso A e pulso B. De acordo com a sequência dos sinais, é possí-
vel obter a posição e a direção do elemento móvel (detalhes sobre o funcionamento de encoders
incrementais estão no Cap. 3.3.4.1).
Máquinas ferramentas utilizam encoders lineares (translacionais) que são elementos geral-
mente caros e exigem montagem em plataformas com alto grau de rigidez e alinhamento muito
preciso. Encoders rotacionais são mais baratos e mais freqüentemente utilizados para a medição
de posição em servoposicionadores pneumáticos.
Para a utilização de encoders rotacionais na medição da posição de atuadores lineares, utiliza-
se geralmente uma correia dentada que é acoplada a uma polia ligada por sua vez ao encoder. Duas
configurações básicas são encontradas na bibliografia como: correia fixa com encoder deslocando-
se com o posicionador (Pu et al., 1992) e correia móvel com o encoder fixo (Lin et al., 1996). No
primeiro caso, encontra-se dificuldade no alinhamento da correia com o encoder. A correia, neste
caso, é geralmente acoplada ao êmbolo do atuador. No segundo caso a dificuldade fica por conta
das vibrações geradas pela rápida movimentação do posicionador, oriundas do contato entre os
dentes da polia com a correia. No presente trabalho optou-se por esta segunda configuração.
11
Os sensores de pressão são conectados a tubulação localizada entre a válvula e o atuador. É
aconselhado manter este trecho de tubulação o mais curto possível e sem curvas, visando reduzir
as quedas de pressão no sistema (Latino e Sandoval, 1996).
2.2 Soluções para o Controle Digital
Segundo Edge (1997), pode-se desenvolver sistemas de controle baseados em 3 diferentes
tipos de implementações: Analógica, Híbrida e Digital. Observa-se também uma tendência na
utilização de controladores com maior flexibilidade (ver Fig. 1.4), ou seja, controladores com
maior percentual de soluções adequadas a cada tipo de aplicação. Muitos dos controladores digi-
tais para movimento oferecem facilidades de programação, porém, os algoritmos de controle são
relativamente fixos e não modificáveis após implementados (Edge, 1997).
O principal sinal adquirido em grande parte das técnicas de controle é a posição do êmbolo
do cilindro pneumático. A partir da derivação numérica deste sinal pode-se obter informação
sobre velocidade e aceleração. Estas informações são geralmente utilizadas pelos algoritmos de
controle para determinar a intensidade do sinal de atuação na servoválvula. Grande parte dos
trabalhos estudados determinam o tempo de atualização do sinal de controle em 1ms (Vieira, 1998;
Andrighetto et al., 2005a, 2005b; Perondi, 2002; Giberti et al., 2001). Na bibliografia encontra-se
também valores de 3ms (Latino e Sandoval, 1996), 4ms (Pu et al., 1992) e 5ms (Virvalo, 1989).
Devido a significativa queda nos preços e avanço da eletrônica, a utilização de centrais úni-
cas de processamento (CPU - Central Processing Unitpara controle de processos tem sido mais
difundida e, dependendo das necessidades da aplicação, pode-se utilizar diferentes tipos de imple-
mentação: Controlador Dedicado, Controle Distribuído e Controle Orientado a Objetos.
2.2.1 Controlador Dedicado
O controlador dedicado (ver Fig. 2.3) é um sistema isolado (stand-alone) com uma única cen-
tral de processamento, responsável por processar todas as funções do sistema, incluíndo o moni-
toramento, interfaceamento com o usuário e operações em tempo real (tais como a realimentação
de controle, decisões quanto a segurança, tratamento de dados, etc.). Para isto são necessárias
políticas de sincronização entre as tarefas, assim como, acesso aos dispositivos (sensores e trans-
dutores).
Vários trabalhos utilizam controladores dedicados para a realização das tarefas de desenvol-
vimento de controladores e monitoramento dos sistemas. Como exemplo pode-se citar Perondi
(2002), Vieira (1998), Andrighetto et al. (2005b) (estes autores utilizam placas de controle ba-
seadas em DSP (digital signal processor)). Porém, esta é uma solução com custo relativamente
12
Interface com o
Usu´ario
Sistema de
Tempo Real
Unidade de Processamento
V´alvula
Posi¸c˜ao
Press˜ao
V´alvula
Posi¸c˜ao
Press˜ao
V´alvula
Posi¸c˜ao
Press˜ao
Figura 2.3 – Controle dedicado
alto. Placas como a DSpace (dSPACE GmbH, 2005), são hospedadas em slots de microcompu-
tadores compatíveis com IBM-PC e possuem características tais com realizar a conversão analó-
gico/digital, conversão digital/analógico e executar a lógica de controle, geralmente desenvolvida
em ambientes amigáveis com programação por diagrama de blocos ou em liguagem de alto nível.
Além de garantir a eficiência temporal de resposta, requisito necessário em controle de sistemas,
placas como a DSpace também fornecem ambientes de monitoramento das variáveis da planta
(dSPACE GmbH, 2005).
A possibilidade de desenvolver a solução de controle em FPGA (field-programmable gate
array) foi estudada, porém o tempo e recursos necessários para o desenvolvimento de tal solução
estavam além dos objetivos do projeto. A tecnologia baseada em FPGAs permite flexibilidade nas
arquiteturas desenvolvidas. Por outro lado, porém, são necessários recursos avançados na área de
Engenharia de Software e Hardware, fugindo do escopo deste trabalho.
Em Rajendran e Bolton (2003), uma placa de aquisição PCI 6024E DAQ é utilizada para
realizar o controle da servoválvula e a aquisição da posição através de um potenciômetro linear.
Em Lara-Rojo et al. (2001) é utilizado um microcontrolador PIC16C711 na implementação de um
controlador baseado em técnica fuzzy. Os resultados de temporização do controlador desenvolvido
foram satisfatórios. Em Anakwa et al. (2002) é utilizado um microcontrolador Motorola 68HC16
para realizar o controle de uma suspensão ativa pneumática.
Giberti et al. (2001) implementaram um sistema dedicado utilizando um microcomputador
compatível com IBM-PC para a realização de controle de um robô acionado pneumaticamente.
O controle foi realizado por uma placa AD/DA acoplada ao computador. O controle foi imple-
mentado utilizando como ferramenta para controle em tempo real, o sistema operacional RT-Linux
13
(ver maiores informações sobre esta arquitetura no Cap. 4), resultando em um tempo de ciclo de
controle em 0.001 segundos. Para o controle de posição foi utilizado um encoder acoplado a uma
placa decodificadora inserida no PC.
2.2.2 Controladores Distribuídos
Controladores distribuídos (Fig. 2.4) são unidades de processamento, em tempo real, dedica-
dos individualmente a cada dispositivo. As unidades estão ligadas a um barramento de comunica-
ção que estabelece a comunicação à outra unidade de processamento responsável pelo interfacea-
mento com o usuário, diminuindo, assim a solicitação de processamento individual do sistema e
facilitando a utilização de interfaces mais amigáveis, por disponibilizar maiores recursos.
V´alvula
Posi¸c˜ao
Press˜ao
V´alvula
Posi¸c˜ao
Press˜ao
V´alvula
Posi¸c˜ao
Press˜ao
Interface de
Usu´ario
Sistema de
Tempo Real
Unidade de Processamento
Sistema de
Tempo Real
Sistema de
Tempo Real
Barramento de Comunica¸c˜ao
Figura 2.4 – Controle Distribuído
Em geral, a decisão de utilizar um sistema de controle distribuído é motivada pela redução
nos custos e aumento da flexibilidade do sistema de controle. Em Lages e Alt (2003) é apresenta
uma arquitetura de controle distribuída para um robô manipulador através de uma rede IP (Internet
Protocol) convencional, onde as mensagens de controle estão sujeitas a atrasos durante o percurso.
Neste trabalho são propostas técnicas para aumentar o desempenho do controlador, diminuindo
estes atrasos.
No controle orientado a objetos encontram-se características intrínsicas da utilização desta
filosofia de programação, tais como: alto grau de reutilização, portabilidade, modularidade e fácil
aprendizagem. O orientação a objetos, a partir do desenvolvimento de novas ferramentas, vem
sendo crescentemente utilizada em aplicações de automação (Pereira et al., 2005).
2.2.3 Controladores Orientados à Objetos
O esquema de controle orientado a objetos é similar ao de controladores distribuídos, porém o
tratamento dispendido a cada dispositivo (válvula, sensor de posição, sensor de pressão e configu-
ração do controle em tempo real) utiliza a filosofia de orientação a objetos, abstraindo informações
14
sobre implementações específicas de cada dispositivo, resultando em uma maior padronização de
interfaces e na padronização de softwares para construção de algoritmos de controle (Edge, 1997).
A utilização de ferramentas orientadas a objetos utilizando política e requisitos de tempo real
apresentam-se bastante promissoras. Um exemplo disto é a RTSJ (Real Time Specification for
Java). Porém, trabalhos como Pereira et al. (2005) destacam alguns aspectos que merecem especial
atenção devido a existência de melhorias necessárias para sua utilização em aplicações críticas.
2.2.4 Microprocessadores e Microcontroladores
Os trabalhos estudados permitem concluir que, de maneira geral, as soluções baseadas no uso
de microprocessadores ou microcontroladores são mais acessíveis financeiramente que as soluções
flexíveis baseadas em DSP (como a DSpace).
Os microprocessadores são geralmente utilizados em aplicações de alto desempenho onde o
custo e tamanho do hardware não são críticos. Isto deve-se à necessidade do uso de memória e dis-
positivos de entrada e saída externos. Microprocessadores são largamente aplicados em soluções
onde a compatibilidade, desempenho e flexibilidade são requisitos importantes.
Os microcontroladores são geralmente utilizados para diminuir o valor total do sistema, pois
incorporam memória e dispositivos de entrada e saída de sinais. Geralmente, fabricados para
aplicações especializadas, assim, diminuindo a flexibilidade das soluções. Suas aplicações mais
comuns são em sistemas de segurança, eletrodomésticos, dispositivos móveis, etc.
Tipicamente, os periféricos encontrados embutidos em microcontroladores são temporizado-
res, contadores, interfaces paralelas e seriais, conversores analógicos/digitais e digitais/analógicos.
Estes periféricos geralmente possuem desempenho inferior aos dos circuitos dedicados para estas
funções em conjunto com microprocessadores (Kilian, 2000).
Como vantagens de microcontroladores podem ser apresentadas:
• funções já presentes no dispositivo;
• baixo custo e tamanho minimizado;
• baixa potência de funcionamento.
Como desvantagens de microcontroladores tem-se:
• baixa flexibilidade;
• expansão limitada de memória ou dispositivos de comunicação;
15
• limitadas taxas de transferência de dados.
Resumidamente, pode-se destacar suas principais características como:
• microprocessadores são mais flexíveis;
• microcontroladores são mais compactos.
Conclui-se que uma solução híbrida, que utiliza as vantagens de ambas estratégias, conjugando
microcontroladores e microprocessadores (encoders incrementais, por exemplo, nececessitam so-
luções em hardware (Lages, 2004)), mantendo a flexibilidade necessária para o desenvolvimento
de complexas técnicas de controle utilizando microprocessadores é adequada para o problema de
controle de uma bancada servopneumática.
A tendência de utilizar recursos implementados em software em vez de implementados em
hardware, não somente auxilia na flexibilidade, mas também permite utilizar dispositivos mais
avançados de controle, como interface com câmeras, sistemas SCADA (Supervisory Control and
Data Acquisition) e outros dispositivos de monitoramento (Kunz et al., 2003).
2.3 Técnicas de Controle
Existem dois tipos básicos de tarefas de posicionamento para servoposicionadores: problemas
de controle de posição e problemas de controle de trajetória. Para o controle de posição trabalha-se
somente com o erro que é definido pela diferença entre a posição atual e a posição desejada (final).
O controle de trajetória faz com que o êmbolo do atuador pneumático siga uma dada trajetória em
um certo tempo. O controle de trajetória tem como vantagem a possibilidade de impor velocidade
e aceleração durante a transição entre posições (Scavarda e Thomasset, 1996).
Como a modelagem clássica, desprezando a dinâmica da servoválvula, resulta em um sistema
não-linear de quarta ordem (Perondi, 2002), devido às propriedades do ar e da força de atrito,
opera-se no sentido de modificar a dinâmica original do sistema, trabalhando em malha fechada
para diminuir as influências das não-linearidades e incertezas de medição sobre a resposta do
sistema, visando tornar o erro de posicionamento ou de seguimento de trajetória suficientemente
pequeno.
Seguem as descrições de alguns tipos de controladores utilizados para servoposicionadores
pneumáticos:
16
2.3.1 Controladores PID
Os controladores PID (Proporcional-Integral-Derivativo) são muito difundidos, principalmente
para a tarefa de controle de sistemas lineares. Os controladores PID utilizam como realimentação
o valor de erro, a integral do erro com relação ao último intervalo de tempo e a derivada do sinal
de erro para determinar a correção a ser aplicada na malha de controle, como ilustrado na Fig. 2.5.
K
p
K
i
/s
K
d
s
Planta
+
-
y
y
d
Figura 2.5 – Esquema simplificado para controle de posição PID
Perondi (2002) demonstra que as oscilações pouco amortecidas e o risco de instabilidade limi-
tam o ganho de um controlador proporcional (P) a pequenos valores, resultando em um posiciona-
mento lento em malha fechada. Segundo Virvalo (1995), pequenos ganhos proporcionais resultam
em grandes erros provocados pelo atrito. Segundo Liu e Bobrow (1988) a introdução da parcela
derivativa na realimentação não auxilia significativamente a resolução destas dificuldades.
Segundo Perondi (2002), uma parcela integral pode auxiliar na redução do erro de regime
provocado pelo atrito, mas tabém não altera a posição dos pólos em malha fechada de forma a
reduzir as oscilações pouco amortecidas e os riscos de instabilidade.
Controladores PID resultam insuficientes quando exigências da tarefa do posicionador são
severas em termos de precisão e velocidade, conforme atesta uma grande quantidade de trabalhos
como Kawamura et al. (1989), Tanaka et al. (1996), Song et al. (1997), Pandian et al. (1997) e
Okiyama e Iciryu (2001).
Devido às dificuldades descritas acima, controladores PID muitas vezes são utilizados de
forma híbrida com outras técnicas inclusive não-lineares (Kawamura et al., 1989; Song et al.,
1997; Choi et al., 1998).
2.3.2 Controladores por realimentação de estados
Variáveis de estado são definidas como o menor conjunto de valores de variáveis que, quando
conhecidas, podem determinar completamente a evolução de resposta do sistema (Ogata, 1998).
Como variáveis de estado pode-se utilizar, por exemplo, posição, pressão, velocidade, aceleração,
temperatura, etc.
17
O método de controle por realimentação de estados pode ser definido como uma técnica através
da qual projeta-se uma compensação dinâmica para o sistema trabalhando-se diretamente com sua
descrição em variáveis de estado (Franklin et al., 1994).
Controladores por realimentação de estados que utilizam posição, velocidade e aceleração são
denominados PVA. A Fig. 2.6 apresenta um controlador PVA, sendo K
p
, K
v
e K
a
, respectivamente
os ganhos do sinal de posição, velocidade e aceleração.
Planta
+
-
y
y
d
estados: y, ˙y, ¨y
K
Figura 2.6 – Controle por realimentação de estados (PVA)
Uma das dificuldades de utilizar eficientemente controladores PVA está na medição da acele-
ração, pois sua medição é cara, difícil e seu cálculo numérico é contaminado pelos ruídos do sinal
da velocidade e a utilização de filtros introduzem atrasos no sistema (Perondi, 2002).
Uma alternativa à utilização do sinal de aceleração é o uso da diferença de pressão entre as
câmaras do servoatuador no lugar da aceleração, visto que o sinal de pressão é menos sensível a
ruídos externos. Esta técnica é chamada de PV∆p (Boudart et al., 1991; Surgenor et al., 1995;
Perondi e Guenther, 1999a). Trabalhos como Perondi e Guenther (1999a) mostram que, para
finalidade de seguimento de trajetória, os erros obtidos são cerca de 50% maiores ao utilizar PV∆p
em comparação a PVA, pois sua capacidade de responder às perturbações ocasionadas pelo atrito
é menor.
Em aplicações de controle de posição de servoposicionadores pneumáticos, em que apenas
a posição atual do êmbolo deve ser atingida dentro de uma precisão específica, verifica-se que o
uso de controladores de estados com realimentação de pressão permite obter um bom desempe-
nho (Perondi e Guenther, 1999b). Porém, quando a tarefa do posicionador exige o seguimento
de trajetória, o atrito exerce uma influência muito acentuada no comportamento do posicionador,
principalmente quando as velocidades são pequenas. Neste caso os controladores de estado tra-
dicionais podem ser insuficientes, necessitando-se adicionalmente de uma compensação para o
atrito.
2.3.3 Linearização por Realimentação
A idéia básica da linearização por realimentação é a de transformar parcial ou completamente
um sistema não-linear em um sistema com dois laços de realimentação: um interno, utilizado para
18
compensar as não-linearidades através de uma realimentação adequada dos seus estados e um laço
externo, onde são aplicadas as técnicas usuais de controle de sistemas lineares.
A Fig. 2.7 apresenta um esquema da técnica de linearização por realimentação aplicado em
conjunto com a técnica linear de realimentação de estados (PVA).
Planta
+
y
y
d
Lineariza¸c˜ao
+
--
estados: y, ˙y, ¨y
K
Figura 2.7 – Linearização por realimentação de estados
Na bibliografia sobre controle de servoposicionadores pneumáticos há vários trabalhos que
contemplam a aplicação do método de linearização por realimentação de estados tais como Han-
chin et al. (1992), Belgharbi et al. (1998), Brun et al. (2000), Thomasset et al. (1993), Richard e
Scavarda (1996), Scavarda e Thomasset (1996) e Gottert e Neumann (1999).
Segundo comparações realizadas por Gottert e Neumann (1999), para seguimento de trajetória,
o método de linearização por realimentação de estados fornece resultados com menor erro de
seguimento e menos oscilatórios do que os resultados obtidos com o uso dos controladores por
realimentação de estados. Esses resultados são confirmados por Brun et al. (2000), que acrescenta,
ainda, a verificação da diminuição do fenômeno adere-desliza (stick-slip).
O método de linearização por realimentação normalmente requer o conhecimento do vetor
de estados completo e é aplicável aos sistemas de fase mínima (com dinâmica interna estável),
não garantindo, portanto, a robustez quanto às incertezas de parâmetros ou perturbações (Slotine,
1991).
2.3.4 Controle a Estrutura Variável
A robustez é uma característica dos sistemas de posicionamento geralmente necessária para
sua aplicação em robótica. Um sistema é dito robusto quando ele apresenta mudanças aceitáveis
no desempenho na presença de alteração na planta e imprecisões no modelo (Dorf, 1989). Assim,
o objetivo do projeto de sistemas robustos é manter as características dinâmicas e de estabilidade
do sistema apesar das mudanças na planta e imprecisões do modelo.
Os controladores com estrutura variável são conhecidos pela sua propriedade de alta robus-
19
tez (Edge, 1997). Vários autores têm proposto e estudado a aplicação de algoritmos de controle
com estrutura variável em servoposicionadores pneumáticos, tais como Hanchin et al. (1992),
Tang e Walker (1995), Thomasset et al. (1993), Paul et al. (1993, 1994), Bouri et al. (1994),
Surgenor et al. (1995), Scavarda e Thomasset (1996), Surgenor e Vaughan (1997), Pandian et al.
(1997, 1998, 1999), Hatipoglu et al. (1999) e Su e Kuo (2000).
Basicamente, esta técnica consiste no chaveamento entre diferentes leis de controle com o
propósito de manter o sistema em equilíbrio. O equilíbrio do sistema é definido pela chamada
superfície de deslizamento (especificada em projeto) pois, em situação ideal, uma vez atingida esta
superfície, o sistema mantém-se no chamado regime de deslizamento ou modo deslizante.
Porém, na prática de controle de servoposicionadores, para manter a trajetória de estados no
regime de deslizamento, é necessário a aplicação de repetidas trocas de leis de controle para manter
o sistema dentro de um erro especificado em projeto. Este chaveamento, em sistemas reais, ocorre
em um tempo finito que pode dar origem a oscilações (fenômeno conhecido por chattering) que
podem provocar desgastes nas peças móveis do atuador e introduzem ruído no sistema.
A Fig. 2.8 exemplifica o ruído de chattering gerado pelas tentativas de manter o sistema em
modo deslizante, onde y e ˙y são duas variáveis de estados (posição e velocidade) e S(x) = 0 deno-
tando a curva da trajetória de estados relativa à superfície de deslizamento.
S(x) = 0
y
˙y
chattering
Figura 2.8 – Fenômeno de Chattering.
Este ruído, inerente a esta técnica de controle, somado ao ruído proveniente da derivação do
sinal de velocidade para a obtenção da aceleração é uma das maiores dificuldades para a aplicação
desta técnica para servoposicionadores pneumáticos.
A Fig. 2.9 exemplifica um equema de um controlador por modos deslizantes aplicado a um
servoposicionador, onde η representa os modos de chaveamento e K
p
, K
v
e K
a
os ganhos, respec-
tivamente, para a posição, velocidade e aceleração.
Resultados apresentados por Thomasset et al. (1993) concluem que os desempenhos obtidos
tanto com a utilização de controladores baseados em linearização por realimentação quanto por
20
Planta
+
-
y
y
d
- -
+
˙y
¨y
K
p
K
v
K
a
η
η
Figura 2.9 – Controlador por modos deslizantes aplicado a servoposicionadores
controladores baseados em estrutura variável, aplicados a servoposicionadores pneumáticos, são
satisfatórios.
Resultados de estudos de comparação entre controladores por modos deslizantes e controlado-
res por realimentação de estados PVA e PV∆
p
apresentados por Surgenor et al. (1995) e Surgenor
e Vaughan (1997) comprovam a maior robustez do controlador a estrutura variável quando há
variação da carga a ser deslocada.
2.3.5 Controles baseados na interpretação de divisão em dois subsistemas
A idéia básica desta técnica de controle para servoposicionadores pneumáticos está na in-
terpretação do atuador como composto por dois subsistemas: um mecânico e outro pneumático
(Kawamura et al. (1989), Lai et al. (1990), Noritsugu e Takaiwa (1995), McDonell (1996), McDo-
nell e Bobrow (1997), Choi et al. (1998), Bobrow e McDonell (1998)).
Conforme ilustrado na Fig. 2.10, o subsistema pneumático necessita fornecer uma força AP
∆
para que o subsistema mecânico consiga executar uma determinada trajetória.
Subsistema
Pneum´atico
Subsistema
Mecˆanico
P
∆u
y
˙y
Atuador Pneum´atico
Figura 2.10 – Interpretação do sistema de posicionamento
A estratégia de controle baseada na divisão em dois subsistemas facilita o projeto de controle,
pois permite a escolha de leis de controle mais adequadas para cada subsistema. Isto viabiliza que
21
as leis de controle clássicas projetadas para os sistemas com acionamento elétrico, por exemplo,
sejam utilizadas para o controle de sistemas com outras tecnologias de acionamento (McDonell e
Bobrow, 1997).
2.3.6 Controladores adaptativos
Os controladores adaptativos executam o ajuste dos parâmetros do controlador automatica-
mente, de acordo com as condições predominantes de trabalho. Isto pode ser feito usando o co-
nhecimento prévio dos fatores que influem no desempenho (principalmente os ganhos do sistema)
ou pelo emprego de um esquema auto-adaptativo (Edge, 1997).
Para realizar a programação de ganhos é necessário o conhecimento prévio de como os parâ-
metros afetam o comportamento do sistema. A utilização de tabelas de ganhos (gain schedule) em
problemas de servoposicionadores pneumáticos foi estudada por Pu et al. (1993).
No método auto-adaptativo, o controlador adapta-se ao modo que a resposta dinâmica do sis-
tema pneumático e a mudança de parâmetros do controlador são reinseridos na base de conheci-
mento. Estas oscilações ocorrem usualmente através de variações no carregamento ou na fonte de
pressão e como resultado das não-linearidades do sistema. Este método geralmente utiliza de um
modelo da planta para identificar seus parâmetros usando os dados de entrada e saída do sistema
(Edge, 1997).
A Fig. 2.11 demonstra o funcionamento de um controlador auto-adaptativo utilizando o mé-
todo de alocação de pólos.
Planta
+
-
y
y
d
Modelo Matem´atico
Aloca¸c˜ao dos P´olos
PID
K
Figura 2.11 – Controlador auto-adaptativo
Os resultados obtidos por Tanaka et al. (1996) mostram que no problema de deslocamento
ponto a ponto o uso de controlador adaptativo mantém o desempenho de um servoposicionador
pneumático praticamente inalterado, mesmo variando em 6 vezes a massa deslocada e com a apli-
cação de forças externas que variam de 0 a 10N.
22
Outro esquema similar ao auto-adaptativo é o MRAC (Model Reference Adaptive Control).
Este método tem como vantagem a não necessidade de utilização de um modelo matemático da
planta (Edge, 1997). Porém, testes comparativos executados por Bobrow e Jabbari (1991), mos-
tram melhores resultados na utilização de alocação de pólos em relação ao MRAC.
2.3.7 Algoritmos Genéticos
Os algoritmos genéticos são técnicas não-determinísticas de busca, otimização e aprendizagem
de máquina. Estes algoritmos manipulam um espaço de soluções potenciais utilizando mecanis-
mos inspirados nas teorias de seleção natural de Charles Darwin e na genética de Gregor Mendel.
Os algoritmos genéticos são robustos e eficientes em espaços de procura irregulares, multidimen-
sionais e complexos (Coelho e Rodrigues, 1999).
Um dos principais benefícios da utilização de algoritmos genéticos na otimização dos parâme-
tros de controle é que eles não são específicos para cada sistema, sendo de fácil aplicação (Edge,
1997). Algoritmos genéticos necessitam da determinação dos indicadores de qualidade e dos pa-
râmetros de entrada e de saída necessários do sistema, conforme ilustrado na Fig. 2.12, onde está
apresentado um exemplo de aplicação para otimização dos ganhos de um controlador PID.
Planta
+
-
y
y
d
Algoritmo Gen´etico
PID
Figura 2.12 – Algoritmo genético para otimização dos parâmetros do controlador PID
2.3.8 Controle por lógica difusa
O controle por lógica difusa (Fuzzy Logic Control) apresenta a vantagem de não necessitar
de um modelo matemático e de o ajuste do controlador poder ser realizado heuristicamente ou
baseado em outras informações ou conhecimentos prévios (Edge, 1997). Shih e Huang (1997)
utiliza um esquema de controle por largura de pulsos (PWM - pulse with modulation) com lógica
difusa para controlar as posições linear e rotacional de um cilindro pneumático especial (com dois
graus de liberdade).
A Fig. 2.13 apresenta o diagrama de blocos de um controlador por lógica difusa. A utilização
de lógica difusa (fuzzification) é responsável por converter o sinal em termos lingüísticos, tais
como: ’perto’, ’muito perto’, ’longe’ e ’muito longe’. Estes termos, enviados ao bloco controlador
são comparados a uma base de dados com regras previamente definidas e assim determinando a
23
ação correspondente que passa pelo bloco de recuperação do sinal (defuzzification) que converte
os termos linguísticos em sinal de controle.
Planta
+
-
y
y
d
Controlador
Base de
Regras e
Dados
Controlador Fuzzy
Fuzzy
Direta
Fuzzy
Inversa
Figura 2.13 – Controlador por lógica difusa
2.3.9 Controle por redes neurais
O controle por redes neurais, para ser implementado, não necessita de um modelo matemático
do servoposicionador. Em sua forma mais simples, uma rede neural atua como uma função de
mapeamento não-linear entre um vetor de entrada e um vetor de saída, e é geralmente utilizada
diretamente como controlador ou como um meio de modelagem dinâmica da planta (Edge, 1997).
Gross e Rattan (1997) utilizam, juntamente com um controlador proporcional, o esquema
multicamadas (MNN - multilayer neural network) para compensar as não-linearidades . Este con-
trolador está representado pelo esquema apresentado na Fig. 2.14.
Planta
+
-
y
K
p
MNN
+
+
¨y
d
˙y
d
y
d
Figura 2.14 – Controlador MNN com realimentação proporcional de posição
O equema MNN está representado na Fig. 2.15(a). Cada círculo do conjunto de camadas
corresponde a um neurônio lógico (ver Fig. 2.15(b)), onde cada um realiza um somatório das
entradas (cada entrada com um peso representado por w
1
, w
2
e w
3
) e passa este resultados para
uma função não linear que determina a saída para o próximo neurônio. Esta função não-linear é
24
resultado de treinamento prévio do controlador realizado através de testes com o servoposicionador
pneumático
¨y
d
˙y
d
y
d
Entradas
Sa´ıda
Camadas
(a) MNN - Multi Layers Network
w
1
w
2
w
3
Sinais
dos
outros
neurˆonios
Fun¸c˜ao
n˜ao
linear
Sinais
para
outros
neurˆonios
(b) Representação de Neurônio
Figura 2.15 – Controle por redes neurais
25
3 IMPLEMENTAÇÃO EXPERIMENTAL
Neste capítulo são apresentados os principais tópicos relacionados à montagem física do ser-
voposicionador pneumático. O equipamento utilizado e as soluções desenvolvidas para condicio-
namento, controle e aquisição de sinais são descritos aqui.
3.1 Introdução
A implementação experimental do servoposicionador pneumático no Laboratório de Robó-
tica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul é
mostrada na foto apresentada na Fig. 3.1.
Mancal
IBM PC com
DAS08-JR-AO
Circuitos de
condicionamento e
driver do encoder
Servoatuador
Correia dentada
Vaso de Press˜ao
Servov´alvula
Enco der Incremental
Fonte
Sensores de Press˜ao
V´alvula Reguladora
Figura 3.1 – Bancada de testes no Laboratório de Robótica da UFRGS.
3.2 Descrição Geral do Sistema
Conforme apresentado nas Figuras 3.1 e 3.2, o sistema é constituído pelos seguintes compo-
nentes: uma válvula reguladora de pressão com filtro acoplado, um vaso de pressão, uma ser-
voválvula direcional, dois sensores de pressão, um cilindro atuador, um sensor óptico rotacional
26
(encoder), uma correia dentada, circuitos condicionadores e a placa de conversão de sinais. O
microcomputador (IBM PC) é responsável pelo controle e supervisão da bancada.
Pode-se observar o esquema das conexões através da Fig. 3.2
Vaso de
Press˜ao
V´alvula Reguladora
e Filtro
V´alvula
Direcional
Servoatuador
Mancal Encoder
Correia Dentada
Decoder
Condicionamento
Conversor
AD/DA
Silenciadores
Figura 3.2 – Esquema da bancada experimental
Visando facilitar a sua descrição, o sistema está subdividido em 4 partes: tratamento do fluido,
atuador pneumático, transdutores e sistema de aquisição e controle. Seguem suas descrições.
Sistema de tratamento de fluidos. Este sistema é composto pela unidade de filtragem, pela
válvula proporcional reguladora de pressão e pelo vaso de pressão. O filtro é responsável por
purificar o ar, eliminando suas impurezas, removendo também vapor d’água provindo da rede de
suprimento. A válvula reguladora de pressão permite ajustar a pressão de trabalho de forma a
mantê-la aproximadamente constante, independentemente das variações sofridas pela rede de dis-
tribuição de ar. O vaso de pressão, instalado em paralelo com a servoválvula, serve para reduzir as
flutuações da pressão de trabalho decorrentes das variações de demanda de consumo pelo sistema
em operação.
Atuador pneumático. Este susbsistema é constituído pela servoválvula direcional e pelo
cilindro atuador. A servoválvula direcional serve para controlar a força e direção do atuador pneu-
mático de acordo com um sinal de controle, atuando na diferença de pressão entre as câmaras do
atuador que fornece a força necessária para seu deslocamento.
Transdutores. São os componentes que fornecem para o sistema de controle as informações
27
sobre as pressões nas câmaras e a posição do atuador pneumático. A posição é adquirida através de
um encoder acoplado a uma correia dentada que, por sua vez, está conectada ao êmbolo móvel do
atuador pneumático. As pressões nas câmaras são adquiridas por sensores de pressão conectados
entre a entrada do atuador pneumático e a saída da válvula proporcional. Ambos os sensores
(pressão e posição) necessitam de condicionamento de sinais antes destes serem adquiridos pelo
sistema de controle.
Sistema de aquisição de dados. É constituído pelo circuito de condicionamento e operação
(drivers) do encoder e a placa de conversão A/D e D/A. A função deste sistema é realizar a aqui-
sição dos sinais utilizados em tempo real pelo sistema de controle e enviar os sinais analógicos de
controle para a servoválvula.
3.3 Componentes
Segundo dados do fabricante, os dutos utilizados em todas as conexões do sistema podem
operar com pressões de até 1 MPa. Para os encaixes entre os dispositivos (válvulas, sensores e
atuadores) e as tubulações foram utilizadas engates rápidos (Festo Corporation, 2005).
3.3.1 Componentes do Subsistema de Tratamento do Fluido
Seguem as descrições dos componentes do subsistema de tratamento do fluído.
3.3.1.1 Filtro e Regulagem de Pressão
As funções de filtragem e regulagem da pressão de trabalho são realizadas por uma única uni-
dade de tratamento de ar (Festo, LFR-1/4-D-MINI) proporcionando menor custo e economia de
espaço. A Fig. 3.3 mostra a representação esquemática da unidade com suas funções, onde 1 é a
entrada de ar comprimido, 2 é a saída de ar processado e 3 é a saída de água, resultado da desu-
midificação e controlada por um dreno manual. A regulagem de pressão é feita por uma válvula
manual e pode ser visualizada por meio de um manômentro acoplado à unidade de tratamento.
1 2
3
Figura 3.3 – Unidade de tratamento e regulagem de pressão
28
As informações técnicas da unidade de tratamento de ar estão apresentadas na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Válvula reguladora e filtro
Grau de filtragem 40 µm
Volume máximo do condensado 22 cm
3
Indicador de pressão manômetro
Faixa de regulagem de pressão 0,05 - 1,2 MPa
Pressão de entrada 1 0,1 - 1,6 MPa
Histerese de pressão máxima 0,02 MPa
Vazão nominal padrão 1.400 l/min
Temperatura do meio -10 - 60
o
C
Temperatura ambiente -10 - 60
o
C
Peso 460 g
3.3.1.2 Vaso de Pressão
Conforme a Fig. 3.2 o vaso de pressão fica conectado entre a unidade de tratamento de ar e a
servoválvula, funcionando como um filtro para oscilações na pressão de alimentação do sistema.
Suas características estão descritas na Tabela 3.2.
Tabela 3.2 – Vaso de Pressão
Norma NBR 8460
Pressão de Serviço 1.7 MPa
Massa 45 Kg
Volume 108 litros
3.3.2 Componentes do Atuador Pneumático
As descrições dos componentes do subsistema de atuação estão apresentados a seguir.
3.3.2.1 Servoválvula Direcional
Foi utilizada uma válvula direcional proporcional Festo - MPYE-5-1/8-HF-010-B. Conforme
esquematizado na Fig. 3.4, a conexão 1 é a entrada de ar comprimido e as conexões 2 e 4 são as
saídas de ar balanceadas conforme o sinal de controle aplicado à entrada 6.
As principais características técnicas da servoválvula Festo - MPYE-5-1/8-HF-010-B estão
relacionados na Tabela 3.3.
Nas conexões 3 e 5, onde o ar é exaurido para a atmosfera, foram utilizados silenciadores Festo
- U-1/8-B (ver Tabela 3.4), diminuindo o ruído ambiental.
29
1
2
3
4
5
6
Figura 3.4 – Servoválvula controladora de vazão
Tabela 3.3 – Válvula direcional
Diâmetro nominal 6 mm
Tipo de acionamento elétrico
Princípio construtivo Válvula corrediça do êmbolo
Tipo de reposição Mola magnética
Tipo de pilotagem direto
Sentido do fluxo não reversível
Pressão operacional 0 - 1 MPa
Vazão nominal padrão 700 l/min
Freqüência limite 100 Hz
Histerese máxima 0,4 %
Tensão de serviço DC 17 - 30 V
Ondulação residual 5 %
Valores Teórico/Real Tipo de tensão 0 - 10 V
Meio operacional Grau de filtragem 5 µm
Temperatura do meio 5 - 40 °C
Temperatura ambiente 0 - 50 °C
Peso 330 g
Tabela 3.4 – Silenciadores
Pressão de operação 0 - 1 MPa
Vasão para atmosfera 1,204 l/min
Nível de pressão sonora 74 dB(A)
Peso 8 g
Conexão G1/8
3.3.2.2 Cilindro Atuador
Utiliza-se um cilindro Festo - DGP-25-1000-PPV-A-B. Este cilindro é contruído sem haste,
com transmissão direta do movimento do êmbolo para o carro móvel através de um guia conectora.
A vedação é realizada através de cintas magnéticas.
As características técnicas estão listadas na Tabela 3.5 e a representação de forças na Fig. 3.5.
30
Tabela 3.5 – Servoatuador
Curso 1 m
Diâmetro do êmbolo 25 mm
Amortecimento Regulável em ambos os lados
Princípio de arraste de união positiva (fenda)
Pressão operacional 0,2 - 0,8 MPa
Modo de operação de dupla ação
Meio operacional Ar comprimido filtrado
Temperatura ambiente -10 - 60
o
C
Curso de amortecimento 18 mm
Massa móvel 180 g
Carga de flexão no eixo X (ver Fig. 3.5) 330 N
Carga de flexão no eixo Y (ver Fig. 3.5) 330 N
Momento longitudinal My (ver Fig. 3.5) 20 Nm
Torque lateral Mx (ver Fig. 3.5) 1 Nm
Torque de torção Mz (ver Fig. 3.5) 3 Nm
Força teórica a 0.6 MPa, retorno 295 N
Força teórica a 0.6 MPa, avanço 295 N
Massa móvel com curso de 0 mm 180 g
Peso básico para curso de 0 mm 840 g
Fator de massa adicional por 10 mm de curso 36 g
Figura 3.5 – Representação de forças no cilindro atuador (Festo Corporation, 2005)
3.3.3 Transdutores
3.3.3.1 Fonte
A fonte de alimentação utilizada para os sensores de pressão, servoválvula e encoder incre-
mental é uma fonte industrial chaveada de 24 V e 1.1 A (MeanWell, 2004). Maiores informações
sobre a fonte chaveada estão na Tabela 3.6.
31
Tabela 3.6 – Fonte chaveada
Voltagem 24 V
Corrente 1.1 A
Potência 26.4 W
Ruído Máximo 100 mVp-p
3.3.3.2 Encoder Incremental
Para medições do deslocamento do êmbolo móvel do cilindro atuador do servoposicionador
foi utilizado um encoder incremental Veeder-Root - BA 3022-1000. Este encoder foi aparafusado
à bancada e, através de uma polia fixada a seu eixo, conectado a uma correia dentada, conforme a
Fig. 3.6.
Figura 3.6 – Encoder incremental
A correia dentada foi acoplada ao carro móvel (ver Fig. 3.7) através de um placa vazada que
utiliza os dentes da correia para fixá-la.
Na Tabela 3.7 estão apresentadas informações sobre o encoder. O termo “push-pull” significa
que a saída de sinal de tensão é equivalente ao nível de tensão do terra do circuito quando o sinal
é nulo e igual à tensão de alimentação (24V) quando o sinal é positivo.
Tabela 3.7 – Encoder incremental
Tipo Incremental
Diâmetro 10 mm
Modo de saída “Push-Pull”
Pulsos por volta 1000
Canais A e B
No outro extremo do curso do carro móvel foi utilizado um mancal para suspender e tensionar
a correia dentada. As polias utilizadas no encoder e no mancal são polias dentadas de 32mm
32
Figura 3.7 – Conexão do carro móvel do êmbolo do cilindro pneumático com a correia dentada
de diâmetro. Isto resulta em 12830 pulsos (de um único canal) emitidos pelo encoder durante o
deslocamento ao longo do curso servoatuador (1m). Informação sobre a precisão do encoder no
sistema de servoposicionamento estão apresentadas na Tabela 3.8.
Tabela 3.8 – Precisão do sistema
Diâmentro das Polias 32 mm
Total de Pulsos 12830 pulsos
Precisão do Encoder 0.078 mm
3.3.3.3 Sensores de Pressão
Para aquisição das pressões em ambas câmaras do cilindro atuador foram utilizados dois sen-
sores de pressão relativa Huba Control - 510. Cada sensor está conectado a uma das saídas da
servoválvula (ver conexões 2 e 4 na Fig. 3.4). As principais características técnicas sobre os sen-
sores estão apresentadas na Tabela 3.9.
Tabela 3.9 – Sensores de Pressão
Escala 0 a 1 MPa
Calibração Calibrado de fábrica
Sinal de saída 4 - 20 mA
Alimentação 11 - 33 VDC
Tipo de conexão 1/4 - 18 NPT
3.3.4 Sistema de Aquisição de Dados
Os componentes do subsistema de aquisição de dados estão descritos nas seções que seguem.
33
3.3.4.1 Driver do Encoder
Um sinal típico obtido através de uma medição realizada pelo encoder é ilustrado na Fig. 3.8,
onde A e B são sinais quadráticos defasados 90
0
. Cada pulso emitido pelo sinal A denota um
deslocamento da polia e, quando comparado ao sinal B, permite obter a direção do movimento.
De acordo com a Fig. 3.8 é possível ter-se 4 diferentes configurações para os sinais A e B. A partir
destas configurações e da seqüência em que elas ocorrem, é possível determinar a velocidade e a
direção do movimento.
1 2 3 4
A
B
90
o
Figura 3.8 – Sinais do encoder incremental
Considerando as limitações do cilindro atuador, o servoposicionador deve funcionar a veloci-
dades de até 1m/s. Por metro de deslocamento são adquiridos 12830 pulsos de encoder, logo é
necessário adquirir os dados a uma freqüência maior que 12kHz. Para realizar a decodificação dos
sinais, é necessária uma freqüência de aquisição de, no mínimo, 48kHz, para viabilizar a compa-
ração entre os canais A e B e decodificar a posição e a direção do movimento do servoatuador.
Inicialmente foram realizados testes utilizando a porta paralela do microcomputador (ver Ta-
bela 3.12) para decodificar a posição do servoatuador. Os resultados dos testes indicaram que a
necessidade de um esforço computacional considerável para processar os sinais à freqüência de
48kHz comprometia a eficiência do sistema, pois reduzia significativamente o número de instru-
ções por ciclo de processamento disponível para a complementação dos algoritmos em tempo real.
A solução foi implementar o decoder em um microcontrolador dedicado que transmite para o PC
somente os resultados decodificados (posição calculada).
O decoder foi implementado em um microcontrolador PIC da Microchip, devido ao fácil
acesso a literatura, programas computacionais para desenvolvimento e esquemas para circuitos
de gravação.
Para utilizar este microcontrolador, foi necessário desenvolver dois circuitos eletrônicos: o
cricuito gravador, responsável por copiar para a memória do microcontrolador o programa desen-
34
volvido no PC, e o circuito decodificador, responsável por receber os sinais do encoder, passá-los
ao microcontrolador para decodificação e enviá-los para o PC.
A gravação do PIC foi feita por intermédio do software de destribuição gratuita WinPic (Bu-
escher, 2005). O circuito de gravação utilizado foi o Tait (Tait’s, 1999). O desenvolvimento dos
algoritmos responsáveis por decodificação e comunicação foram escritos em linguagem C, utili-
zando o ambiente MPLAB IDE em conjunto com a biblioteca MPLAB C18, ambos softwares com
versões gratuitas (Microchip, 2005).
Para tratar o sinal a ser decodificado foi necessário utilizar um circuito “ceifador”, responsável
por reduzir o sinal de 24V (saída do encoder) para 5V (entrada do PIC). Este circuito é mostrado
na Fig. 3.9. Após ser processado o “corte”, o integrado 74ACT14 reduz o ruído para o controlador
através de um comparador Schmitt Trigger.
5v
Canal A
380Ω
380Ω
Canal B
380Ω
380Ω
1.2kΩ
1.2kΩ
5v
Canal A
Canal B
Ceifador
74ACT14
Figura 3.9 – Condicionador de sinais para o encoder
O circuito decodificador utilizado na bancada está esquematizado na Fig. 3.10. O microcon-
trolador utilizado foi um Microchip - PIC18F2550 funcionando a 24MHz. Maiores informações
sobre o microcontrolador estão na Tabela 3.10.
Tabela 3.10 – Informações técnicas do PIC18F2550
Freqüência Máxima 48MHz
Memória para Programa (Bytes) 32768
Memória para Programa (Instruções) 16384
Memória de Dados (Bytes) 2048
Memória de Dados EEPROM (Bytes) 256
Fontes de Interrupção 19
Temporizadores 4
Captura/Comparadores/Módulos PWM 2
Universal Serial Bus (USB) 1
Conversão Análogo/Digital (10 bits) 10
Para o microcontrolador realizar as operações de contagem dos pulsos enviados pelo encoder e
comunicar-se com a central de processamento (PC), foram desenvolvidos dois algoritmos que são
35
5v
MAX232
PIC18F2550
Canal B
Canal A
22pF
22pF
4MHz
5v
5v
0.1uF
22pF
0.1uF
0.1uF
470Ω
0.1uF
Porta Serial
9 pinos
1
9GND
RX
TX
Figura 3.10 – Esquema do circuito do microcontrolador PIC18F2550
executados em paralelo pelo microcontrolador. O primeiro processo, esquematizado na Fig. 3.11,
é responsável por contar os pulsos verificando a direção de movimento do servoatuador.
Verifica
Estado do
Canal B
Canal A passou
de 0 para 1
(Interrup¸c˜ao)
10
Incrementa
Contador
Decrementa
Contador
Figura 3.11 – Esquema do processo de contagem de pulsos (“Contador”)
Este processo é executado a partir de uma interrupção (na porta RB0) do microcontrolador,
que está conectada ao canal A do encoder. Quando o sinal desta porta passa de 0 para 1 gera uma
interrupção, “congelando” a execução de outros processos enquando executa a contagem.
O outro processo é o de comunicação com o PC. Esta comunicação tem como propósito man-
ter a central de controle (PC) informada da posição atual do servoatuador. Esse processo fica
aguardando comandos vindos da porta serial (ver integrado MAX232, apresentado na Fig. 3.10)
cada comando lido determina a execução de uma função no microcontrolador. Estes comando são
enviados pela unidade de controle (PC).
36
Foram programados dois comandos: “zerar” e “ler”. O comando “zerar” (ver Fig. 3.12),
reinicializa o contador de pulsos do microcontrolador PIC.
’z’
PC PIC
Reinicializa
Contador
Contador
Reinicializado
Figura 3.12 – Comando “zerar”
O comando “ler” (ver Fig. 3.13) faz com que o microcontrolador retorne o valor da posição
armazenado no contador na forma de dois bytes.
’x’
PC PIC
Baixo (Low )
Lˆe Posi¸c˜ao
Atual
Envia
Primeiro
Byte
Envia
Segundo
Byte
Ler
Primeiro
Byte
Lˆe
Segundo
Byte
Finalizado
Finalizado
Alto (High)
Espera
novo
comando
Figura 3.13 – Diagrama esquemático do comando “ler”
O algoritmo que executa os comandos “zerar” e “ler” pode ser visualizado na Fig. 3.14.
No bloco “Configuração do Sistema” são definidas a freqüência de funcionamento do micro-
controlador, a freqüência de comunicação serial (no caso 115.2kBps) e a porta que irá receber a
interrupção apresentada na Fig. 3.11. O código fonte utilizado para programar o PIC18F2550 está
apresentado no Anexo A.1.
37
Chegou algum
comando pela
porta serial?
SIM
N
˜
AO
Zera
Contador?
Lˆe Valor
Atual?
Zera Contador
Envia Valor
Atual Pela
Porta Serial
SIM
SIM
N
˜
AO
N
˜
AO
Configura¸c˜ao do
Sistema
Figura 3.14 – Esquema do processo de comunicação com a unidade de controle
3.3.4.2 Conversão AD/DA
Para conversão do sinal de analógico para digital (para os sinais dos sensores de pressão) e
digital para analógico (para o comando da servoválvula) foi utilizada uma placa CIO-DAS08-JR-
AO. Seus detalhes técnicos estão especificados na Tabela 3.11.
Tabela 3.11 – Placa de aquisição de dados
Resolução A/D 12 bits
Número de Canais A/D 8 single-ended
Sinal de entrada ±5V
Tempo de conversão A/D 25 µs
Resolução D/A 12 bits
Número de Canais D/A 2
Sinal de Saída ±5V
Tempo de estabilização D/A 10 µs
Entradas Digitais 8
Saídas Digitais 8
Para conexão da placa de aquisição com os atuadores e sensores, foi utilizada uma borneira
LR Informática Industrial - LRI-BORN37.
38
3.3.4.3 Condicionamento de Sinais
Os sensores de pressão utilizados (Huba Control - 510, ver Tabela 3.9) trabalham na faixa de
0 a 1 MPa com saída de sinal entre 4 a 20mA. Como a placa de aquisição funciona com entradas
de ±5V foi necessário utilizar um circuito para realizar a conversão do sinal. A Fig. 3.15 mostra
o esquema de um circuito comparador utilizado para calibração do sinal, visando aproximá-lo da
faixa de aquisição da placa AD.
Observa-se que não foram inseridos filtros de sinais. Este assunto está apresentado no Capí-
tulo 5.
É necessário também usar um circuito de condicionamento de sinais para o acionamento da
servoválvula. A servoválvula recebe sinais de 0 a 10V e o circuito D/A da placa emite sinais de
±5V. Para conversão deste sinal utilizou-se um circuito comparador esquematizado na Fig. 3.16.
5V
Sa´ıda
Entrada
10kΩ680Ω
TL084
TL084
10kΩ
200kΩ
Figura 3.15 – Condicionamento de sinais para os sensores de pressão
5V
Sa´ıda
Entrada
TL084
TL084
10kΩ
10kΩ
10kΩ
10kΩ
TL084
200kΩ
Figura 3.16 – Condicionamento de sinal do controle da servoválvula
Para ambos os circuitos mostrados nas Figuras 3.15 e 3.16, as fontes de 5 V e de ±12 V
39
(alimentação dos amplificadores operacionais) foram tomadas na própria placa de aquisição de
sinais.
3.3.4.4 Microcomputador
O microcomputador é o componente responsável pelo processamento das informações adqui-
ridas pelos sensores, o processamento do algoritmo de controle e o registro dos resultados desses
processos. Maiores informações sobre o microcomputador estão na Tabela 3.12.
Tabela 3.12 – Informações técnicas do microcomputador
Freqüência 133MHz
Memória RAM 64Mb
Disco Rígido 6.3Gb
Sistema Operacional Gentoo/RTAI 3.2/Linux 2.6.9
Portas de Comunicação Paralela e Serial
40
4 SISTEMA DE CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS
Neste capítulo são analisados as funcionalidades necessárias para o controle de um servoposi-
cionador, assim como as ferramentas utilizadas para modelagem e testes das diferentes técnicas de
controle. São também apresentados os algoritmos desenvolvidos para o acionamento de servovál-
vula e atualização das variáveis medidas da planta pneumática.
4.1 Funcionalidades do Sistema de Controle
Sistemas para modelagem de controladores (RPC - Rapid Control Prototyping) necessitam
basicamente de dois componentes: um software para projeto de sistemas de controle auxiliado
por computador (CACSD - Computer Aided Control System Design) e um sistema de hardware
dedicado processando um sistema operacional com suporte a tempo real (Bucher et al., 2004).
Sistemas de controle auxiliado por computador (CACSD) são sistemas constituídos por dife-
rentes ferramentas que auxiliam desde o desenvolvimento dos algoritmos de controle até simula-
ções em tempo real, com e sem interface com os dispositivos da planta (Bucher e Mannori, 2003).
A Fig. 4.1, ilustra as principais funcionalidades de um sistema para teste das técnicas de con-
trole: o ambiente de desenvolvimento da técnica de controle, o ambiente de monitoramento e o
sistema de aquisição de sinais e acionamento dos dispositivos servopneumáticos. Observa-se a
existência de dois objetos externos ao sistema de controle. O usuário, que utiliza o sistema de
controle e o sistema pneumático que é operado pelo sistema de controle.
O ambiente de desenvolvimento é constituído basicamente pela interface de programação uti-
lizada pelo usuário para implementação das técnicas de controle (ver Capítulo 2).
O sistema de monitoramento consiste das ferramentas computacionais através das quais o
usuário pode iniciar, acompanhar ou parar o funcionamento do sistema de servoposicionamento e,
se necessário, alterar parâmetros da técnica de controle em execução.
O sistema de aquisição de dados e acionamento dos dispositivos pneumáticos não possui inter-
face direta com o usuário, como pode ser visualizado na Fig. 4.1. Este sistema é responsável por
manter a consistência das informações da planta pneumática, atualizando os processos atuantes no
sistema de controle com as variáveis de controle.
As seções que seguem apresentam separadamente as descrições das ferramentas utilizadas e
dos algoritmos desenvolvidos. Assim, na Seção 4.2 é realizada uma análise sobre as garantias
temporais (sistemas de tempo real) e a solução desenvolvida para a aquisição e acionamento dos
dispositivos da planta pneumática. Na Seção 4.3 são analisadas as soluções utilizadas para flexibi-
41
Sistema de Controle
Sistema
Pneum´atico
Ambiente de
Desenvolvimento da
T´ecnica de Controle
T´ecnica de
Controle
Sistema de
Aquisi¸c˜ao e
Acionamento
Usu´ario
Ambiente de
Monitoramento
Figura 4.1 – Diagrama de funcionalidades do sistema de controle
lização da programação das técnicas de controle e monitoramento do sistema de controle.
4.2 Sistema de Aquisição e Acionamento
4.2.1 Sistemas de Tempo Real
Tanto o sistema de aquisição e acionamento quanto a técnica de controle necessitam de ga-
rantias temporais para a eficiência de seu funcionamento. Para possibilitar um controle temporal
seguro é necessário que a implementação destes sistemas esteja baseada em um sistema de tempo
real.
O termo tempo real é aplicado de diferentes formas, de acordo com a área de conhecimento
onde é utilizado. Aqui utiliza-se no sentido consagrado na Ciência da Computação, onde é dividido
em duas grandes áreas: tempo real “probabilístico” (soft real-time) e tempo real “determinístico”
(hard real-time) (Dozio e Mantegazza, 2003).
Sistemas soft real-time são caracterizados pela habilidade do sistema de executar um processo
garantindo a média do tempo determinado durante o desenvolvimento. Processos soft real-time
geralmente são empregados em soluções onde variações, ou mesmo atrasos no tempo previsto,
42
ocorrem sem comprometimento do funcionamento do sistema. Dispositivos de vídeo geralmente
utilizam soft real-time. O dispositivo de vídeo troca informações de modo que pequenas variações
no desempenho ou mesmo a supressão de frames (imagens estáticas), são aceitáveis, pois são
“quase” imperceptíveis ao olho humano. Em geral, as interfaces homem-máquina não necessitam
de determinismo temporal acurado.
Sistemas hard real-time são caracterizados pela existência de garantias temporais mais rígidas,
ou seja, maior grau de confiabilidade no sentido de que não serão ultrapassados os limites prees-
tabelecidos durante o desenvolvimento do sistema. Assim, sistemas hard real-time não utilizam
a média para compensar possíveis atrasos. Um exemplo de aplicação típica está no controle de
plantas industriais.
Outra característica de sistemas hard real-time é a baixa latência, ou seja, o baixo tempo de
atraso na resposta entre o comando de execução e a real execução do processo. O conceito de
latência está ilustrado na Fig. 4.2.
Latˆencia
Processo
Recorrente
Per´ıodo
Programado
Intervalo
entre
Processos
Figura 4.2 – Informações temporais sobre processos
Na Fig. 4.2, além da latência, pode-se observar outros conceitos fundamentais na análise de
sistemas de tempo real. O “processo recorrente” é o conjunto de comandos que devem ser repetidos
de acordo com o “período programado”. Observa-se que o processo recorrente não utiliza todo
o tempo disponível para sua execução, o restante é utilizado por outros possíveis processos em
execução no sistema, tais como interrupções, acesso a disco, etc.
Ao determinar o “período programado”, deve ser considerado, além da latência do sistema,
assim como o tempo necessário para completar os comandos do processo recorrente, os possíveis
atrasos e a possibilidade de falhas no sistema. O tratamento das possíveis falhas aumenta a inte-
gridade do sistema e pode ser realizado a partir de mensagens de alarme ou parada de dispositivos
atuantes, evitando danos ao sistema controlado. As mensagens de falha são programadas para o
caso em que o tempo de execução de um processo recorrente ultrapasse o tempo previsto.
Pode-se comparar sistemas hard real-time (determinísticos) e soft real-time (probabilísticos)
através do gráfico da Fig. 4.3 (Sun Microsystems, 2004).
43
0.0
0.5
1.0
0 t ∞
Determin´ıstico
Probabil´ıstico
Probabilidade
Tempo
Figura 4.3 – Sistemas determinísticos versus probabilísticos
Geralmente, centrais de processamento, como estações de trabalho-workstations, não são pro-
jetados para aplicações hard real-time. Isto ocorre devido à falta de disponibilidade de informações
sobre as latências do hardware utilizado. Assim, grande parte dos controladores com requisitos
de tempo real são implementados em sistemas dedicados, como processadores digitais de sinais
(DSPs - Digital Signal Processors) e microcontroladores, os quais possuem maiores garantias
quanto a latência devido à baixa quantidade de instruções utilizadas para processar as interrupções
(Dozio e Mantegazza, 2003).
Neste trabalho estuda-se o emprego de microcomputadores compatíveis com IBM-PC em con-
trole de tempo real.
Os maiores benefícios da utilização de microcomputadores para o controle digital está na fle-
xibilidade e na grande capacidade de processamento, chegando a milhões de operações de ponto
flutuante por segundo (FLOPS - Floating-Point Operations per Second), tipo de instrução que
aumenta significativamente a eficiência no processamento matemático. Esta capacidade possibi-
lita a rápida resposta do ciclo de controle, mesmo com o uso de técnicas de controle complexas.
Acrescenta-se também a possibilidade de utilizar sistemas de alto desempenho, como Symmetric
Multi Processors (SMP), com arquitetura de hardware com mais de um processador na mesma
unidade de processamento, resultando em uma melhor relação entre custo e capacidade de proces-
samento.
Atualmente, devido ao rápido desenvolvimento tecnológico (tanto em software quanto em
hardware), o acesso a microcomputadores está muito facilitado. Devido à grande disponibilidade
de microcomputadores no mercado alguns projetos vêm sendo desenvolvidos para a construção
de sistemas operacionais com suporte a hard real-time em computadores pessoais. Muitos destes
sistemas, como será visto nas seções que seguem, funcionam em equipamentos já considerados
obsoletos, diminuindo os custos para o desenvolvimento de soluções para controle em tempo real.
44
Além do suporte a tempo real, foi dada prioridade na utilização de tecnologias abertas ou Open
Source. Estas soluções possuem como características:
• livre utilização e distribuição (gratuíto);
• permite acesso também livre às tecnologias utilizadas (código fonte);
• permite a alteração do código fonte.
A prioridade na utilização de tecnologias Open Source na arquitetura de controle do servopo-
sicionador tem como propósito evitar a inserção de tecnologias que possam restringir a utilização
ou criar dependência financeira ou mesmo tecnológica. Assim, a solução para controle em tempo
real foi desenvolvida com base em sistemas abertos, desde o sistema operacional até as interfaces
com o usuário.
4.2.2 Sistema Operacional
O GNU/Linux é um sistema operacional tipo UNIX, largamente utilizado em soluções onde
a flexibilidade é fundamental. Por ser um sistema de código aberto e de livre utilização, permite
alterações em seu código fonte, possibilitando assim o redimensionamento do sistema de acordo
com as necessidades da aplicação. GNU/Linux é facilmente customizado e largamente utilizado
em dispositivos embarcados, como, por exemplo, relógios, computadores de mão e placas PC-
104 (Kunz et al., 2003). Placas PC-104 são dispositivos compatíveis com IBM-PCs, porém com
tamanho reduzido.
Encontra-se no mercado várias soluções de sistemas operacionais com suporte a tempo real
(Tornado/VxWorks, Windows CE, QNX, RTAI, pSOS, VRTX dentre outros). Porém, avaliando as
necessidades descritas anteriormente optou-se pelo sistema GNU/Linux em conjunto com RTAI
(Real Time Application Interface) (DIAPM, 2005).
O sistema operacional GNU/Linux não possui suporte (nativo) a tarefas de tempo real. Porém,
utilizando o sistema RTAI, este passa a ser um sistema operacional de tempo real ou RTOS (Real
Time Operation System). O RTAI é um projeto iniciado pelo "Departimento di Ingegneria Aeros-
paziale del Politecnico di Milano"(DIAPM) em 1996 (DIAPM, 2005). Este usa o projeto ADEOS
(Adaptive Domain Environment for Operating Systems), para realizar modificações no núcleo (ker-
nel) do sistema operacional GNU/Linux, acrescentando o suporte de tempo real aos processos na
utilização dos módulos (bibliotecas) disponibilizados pelo projeto RTAI.
O sistema operacional GNU/Linux, modificado pelo projeto RTAI, permite o desenvolvimento
de quatro tipos diferentes de tarefas (Lages e Alt, 2003):
45
• Processos Linux: são os processos comuns do Linux que executam apenas quando não há
tarefa de tempo real em operação.
• Tarefas de tempo real no kernel: são tarefas de tempo real que executam no espaço do
kernel, possuindo a menor latência possível. Este tipo de tarefa não pode acessar a maioria
dos serviços do kernel do Linux ou de bibliotecas, como a biblioteca padrão da linguagem
C.
• Tarefas LXRT (Linux RealTime) soft real-time: são tarefas que executam no modo do usuário
sem sofrer preempção dos processos do Linux, mas podem sofrer preempção de interrupções
do Linux e das demais tarefas de tempo real. A vantagem deste tipo de tarefa está no acesso
aos serviços do kernel do Linux e de bibliotecas.
• Tarefas LXRT hard real-time: são tarefas que executam no modo do usuário sem sofrer
preempção de processos ou de interrupções do Linux, podendo sofrer preempção apenas
de tarefas e interrupções de tempo real com prioridade mais alta. O acesso a serviços do
kernel do Linux são permitidos através de um mecanismo de chaveamento implícito para o
modo soft real-time, com recuperação do modo hard real-time após o retorno da chamada
ao kernel.
Tarefas LXRT hard real-time, são mais aconselhadas pois não necessitam de conhecimentos
específicos sobre o kernel do Linux, resultando em uma maior facilidade de desenvolvimento e
mantendo as características de tempo real necessárias para o controle.
Para o acesso à placa AD/DA foi utilizado o projeto Comedi (Control and Measurement Inter-
face) (Schleef e Hess, 2005). Este projeto oferece a biblioteca Kcomedilib, a qual permite o acesso
ao hardware de conversão (placa AD/DA) a partir dos processos de tempo real. Esta ferramenta
possui drivers para dezenas de placas de conversão AD/DA, inclusive para placa utilizada neste
projeto (CIO-DAS08-JR-AO). Assim como os projetos RTAI e GNU/Linux, o projeto Comedi
também é Open Source.
A comunicação com o decoder (responsável por disponibilizar a posição do êmbolo do servo-
atuador) foi realizado utilizando o suporte nativo do sistema operacional GNU/Linux para acesso
à porta serial do microcomputador.
Com as ferramentas descritas acima é possível projetar algoritmos de controle e testá-los no
sistema de servoposicionamento pneumático. Porém, para isto, é necessário que o projetista possua
conhecimentos significativos sobre programação C e o sistema operacional GNU/Linux, visto que
as mesmas não possuem interface gráfica para o desenvolvimento dos algoritmos.
46
4.2.3 Algoritmos de Controle dos Dispositivos
O “servidor de dados”, processo responsável pela comunicação entre os dispositivos da ban-
cada e o ciclo de controle, está representado na Fig. 4.4. Este processo foi implementado em
linguagem C e utiliza tarefas LXRT com hard real-time.
Servidor de Dados:
Interface com os
dispositivos do
servoposicionador
Comunica¸c˜ao
com o
Decoder
Comunica¸c˜ao
com os
Sensores de
Press˜ao
Servi¸co para
acionamento
da
servov´alvula
Servi¸co de
envio de dados
dos sensores
T´ecnica de
Controle
PPP
MBX
MBX
MBX
Sistema de
Monitoramento
Contador de
Pulsos (PIC)
Encoder
Sensores de
Press˜ao
Servov´alvula
AD/DA
Sistema de Ser-
voposicionamento
RS232
Comedi
Comedi
Figura 4.4 – Visão geral do sistema
O processo servidor, que consiste na interface entre o ciclo de controle e a planta pneumática, é
responsável por manter o ciclo atualizado com as variações dos sensores e receber novos comandos
para o acionamento da servoválvula.
A troca de informações entre o processo responsável pelo ciclo de controle e o processo ser-
vidor é realizado por meio de mensagens. As mensagens são enviadas utilizando a biblioteca
Mailboxes (MBX) do projeto RTAI. Este método possibilita a troca de mensagem entre múlti-
47
plos receptores e emissores, inclusive através de uma rede (LAN). Isto permite que o processo
responsável pelo ciclo de controle e o processo servidor dos dados da planta sejam executados
em microcomputadores diferentes, conectados através de uma rede de comunicação, como por
exemplo uma rede ethernet.
A comunicação entre o sistema de monitoramento e o processo responsável pelo ciclo de
controle também pode ser realizado por rede. A comunicação por rede pode aumentar o tempo
necessário para comunicação entre processos, porém, dilui a carga de processamento através da
sua distribuição entre diferentes microprocessadores. Isto pode reduzir os custos em hardware
pois assim estes microprocessadores necessitam menor poder de processamento isoladamente.
Observa-se na Fig. 4.4 que o servidor de dados possui quatro sub-processos (threads) sendo
executados em paralelo: comunicação com o decoder, comunicação com os sensores de pressão,
serviço de envio de dados dos sensores e serviço para acionamento da servoválvula. Cada um
destes sub-processos foi programado com um período de 1ms.
O circulo nomeado de “PPP” (valores da Pressão A, da Pressão B e da Posição), representa
um recurso compartilhado, ou seja, um bloco de informações (memória) que é lido ou escrito por
diferentes threads. Para sincronizar estas leituras e escritas, evitando conflito entre os threads em
execução, foi utilizada a técnica de semáforos, a qual restringe o processo de forma que somente
um thread acesse o bloco compartilhado por vez, tanto para leitura quanto para escrita. Se um dos
threads está lendo ou escrevendo no recurso “PPP”, os outros ficam esperando a liberação em uma
fila de acesso ao recurso. Devido à necessidade de um tempo para espera de liberação do recurso
“PPP”, foi reservado 10% (0.1ms) do tempo total de ciclo nos threads que utilizam esta estrutura.
Este tempo de espera é ilustrado na Fig. 4.5 pelo bloco “PPP”.
O thread de comunicação com o decoder realiza o envio e o recebimento de dados através da
porta serial do microcomputador comunicando-se com o microcontrolador PIC que executa a ação
de decoder (ver. Capítulo 3), assim mantendo atualizada a estrutura “PPP” com o valor atual da
posição do servoposicionador.
O thread de comunicação com os sensores de pressão realiza a leitura de dois canais de con-
versão AD da placa CIO-DAS08 (ver Tabela 3.11). Cada canal corresponde a um dos sensores
de pressão conectados às câmaras do servoatuador. Após a leitura são atualizados os valores de
pressão na estrutura “PPP”.
O thread de serviço de envio dos dados dos sensores realiza a leitura periódica da estrutura
“PPP”, permanecendo em modo de espera até a solicitação de atualização pelo processo responsá-
vel pelo ciclo de controle. Após uma solicitação de leitura ou quando o tempo de espera ultrapassa
0.9ms, este thread cancela a espera e reinicia o ciclo de atualização.
48
O thread de serviço para acionamento da servoválvula inicia em modo de espera até receber
uma solicitação de escrita na servoválvula. A cada solicitação, imediatamente é realizado o aci-
onamento na servoválvula por intermédio de uma conversão DA realizada por um dos canais da
placa CIO-DAS08 (ver Tabela 3.11). O tempo programado de 1ms para este thread evita que o
sistema permaneça em modo de espera após solicitação de finalização pelo usuário.
A comunicação entre os threads de serviço e o ciclo de controle pode ser visualizado pela
Fig. 4.5.
Servi¸co de
envio de
dados dos
sensores
Algoritmo
de Controle
{
Envio das
vari´aveis de
controle
Envio do sinal
para
servov´alvula
Per´ıodo
programado
para o ciclo de
controle (1ms)
Servi¸co para
acionamento
da
servov´alvula
}
}
}
Servidor de Dados
Processamento
Matem´atico
}
Sinal
Sinal
Recebido
Recebido
Atualiza¸c˜ao
da Estrutura
”PPP”
Figura 4.5 – Sistema de controle e acionamento
Os dois threads de comunicação entre o servidor e o serviço de gerenciamento do ciclo de
controle estão apresentados em paralelo. O bloco “PPP” (localizado no thread de serviço de envio
de dados dos sensores) representa a espera de liberação do semáforo para a leitura da estrutura
“PPP”. Observa-se que o processo responsável pelo ciclo de controle realiza, sincronizadamente,
dois acessos ao sistema servidor: o primeiro de leitura dos sensores da bancada e o segundo de
envio do sinal para acionamento da servoválvula.
O servidor atualiza os dados dos sensores a cada 1ms, porém não há necessidade do con-
trolador possuir o mesmo período (1ms). Isto é realizado pelo usuário durante a modelagem do
controlador.
49
Na Fig. 4.5 foi exemplificado um ciclo programado de 1ms, ou seja, os acessos (envio e re-
cebimento de mensagens) somados ao processamento matemático da técnica de controle possuem
período máximo de execução de 1ms.
4.3 Ambiente de desenvolvimento e monitoramento
Suites utilizadas para modelagem de controladores como Matlab/Simulink (MathWorks, 2005)
e Scilab/Scicos (INRIA, 2005b), além de permitirem a programação em linguagem de blocos,
auxiliam a modelagem de controladores através da disponibilização de bibliotecas para tratamento
de sinais que podem ser facilmente inseridas no controlador.
RTAI-Lab (DIAPM, 2005) é um projeto de código aberto que promove a integração en-
tre o suporte de tempo real do sistema operacional com sistemas CACSD. O RTAI-Lab suporta
tanto a suite comercial MATLAB/Simulink/RealTime-Workshop quanto a suite de código aberto
SCILAB/Scicos. Visando a utilização de software livre, emprega-se neste trabalho a suite SCI-
LAB/Scicos.
4.3.1 Scilab/Scicos
Scilab é um ambiente voltado para o desenvolvimento de software para resolução de problemas
numéricos, criado em 1990 por um grupo de pesquisadores do INRIA (Institut de Recherche en
Informatique et en Automatique) e do ENPC (Ecole Nationale des Ponts et Chaussées).
Esta ferramenta pode ser utilizada para criar controladores com suporte a tempo real, gerando
o código fonte e compilado diretamente do ambiente gráfico de programação em blocos (Scicos)
(INRIA, 2005a). Um exemplo de programação em blocos no ambiente Scicos pode ser visualizado
na Fig. 4.6. Através desta interface o usuário pode modelar o sistema de controle. O resultado da
compilação do sistema modelado é um código executável nativo para GNU/Linux, incluindo o
suporte a tempo real. Este programa é implementado utilizando LXRT hard real-time, o qual
opera em espaço de usuário.
No âmbito do presente trabalho, foi desenvolvido um bloco de programação para o sistema Sci-
cos, facilitando a programação da comunicação com o serviço de acesso às variáveis do sistema
pneumático. Logo, o usuário não necessita conhecer detalhes da implementação em hardware da
arquitetura controladora. Este bloco possui uma entrada (sinal para a servoválvula) e três saídas
(pressões nas câmaras e posição do servoposicionador) (ver Fig. A.1 do Anexo A.3). Após compi-
lado diretamente através do diagrama de blocos no ambiente Scicos, o executável pode ser enviado
para o sistema hospedeiro. O esquema do processo de compilação e envio ao sistema hospedeiro
pode ser visualizado na Fig. 4.7.
50
Figura 4.6 – Exemplo de implementação de programa de controle em ambiente Scilab/Scicos.
A partir da compilação do programa e execução pelo sistema Scicos, o seu monitoramento
pode ser realizado através do programa XRtaiLab, o qual faz parte do projeto RTAI. Este programa,
permite o desenvolvimento de telas de interface com o usuário para facilitar o acompanhamento
do processo, assim como sua execução e representação gráfica das variáveis. Veja exemplo de tela
do programa XRtaiLab na Fig. 4.8.
Como em toda interface de acesso direto pelo usuário, esta deve ser de fácil utilização e manu-
tenção, promovendo acesso a diferentes tipos de visualização dos dados. Mesmo sendo o sistema
de monitoramento uma interface com o usuário (não tempo real), são necessárias garantias de que
Controlador
Sistema de
Desenvolvimento
Diagrama de
Blocos
↓
C´odigo C
↓
Execut´avel
Envio do Execut´avel
Hardware
processando o
sistema
operacional com
suporte a tempo
real
Usu´ario
Sistema
Pneum´atico
Figura 4.7 – Sistema de desenvolvimento
51
Figura 4.8 – Sistema de Monitoramento
os dados apresentados sejam confiáveis e precisos com relação ao tempo. A comunicação com o
controlador é implementada em soft real-time. Como ocorre na comunicação entre o ciclo de con-
trole e o sistema de aquisição e acionamento da planta pneumática, o sistema de monitoramento
pode comunicar-se via rede com o programa gerenciador do ciclo de controle.
52
5 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DO SISTEMA
Neste capítulo são apresentados os resultados e os procedimentos para obtenção das curvas
características de vazão mássica e atrito do sistema de servoposicionamento servopneumático.
Também são apresentados os resultados da eficiência sob o aspecto de temporização do sistema.
5.1 Caracterização do Sistema
Seja o servoposicionador pneumático esquematizado na Fig. 1.2, as equações 5.1 e 5.2 apre-
sentadas por Perondi (2002) constituem o modelo dinâmico do sistema pneumático de posiciona-
mento e definem uma dinâmica não-linear de 4
a
ordem.
M ¨y + F
a
+ F
e
= Ap
∆
(5.1)
onde M é a massa deslocada, F
a
é a força de atrito, F
e
é a força externa, p
∆
é a diferença entre as
pressões nas câmaras, A é a área do êmbolo e ¨y é a aceleração do êmbolo.
˙p
∆
= RrT
q
m1
(p
1
,u)
Ay +V
1
−
q
m2
(p
2
,u)
A(L − y) +V
2
(5.2)
onde ˙p
∆
é a derivada da diferença entre as pressões nas câmaras, R é a constante universal dos
gases, r é a razão dos calores específicos do ar, T é a temperatura, q
m1
(p
1
,u) é a função de vazão
mássica na câmara 1 dependente da pressão na câmara 1 p
1
e do sinal de tensão u, q
m2
(p
2
,u) é a
função de vazão mássica na câmara 2 dependente da pressão na câmara 2 p
2
e do sinal de tensão
u, A é a área do êmbolo, y é o deslocamento do êmbolo, L é o curso útil do cilindro atuador, V
1
é o
volume morto na linha de conexão 1 e V
2
o volume morto na linha de conexão 2.
Observa-se que se os parâmetros do sistema forem conhecidos, esta dinâmica pode ser alterada
através da variação controlada das vazões mássicas q
m1
e q
m2
. Estas vazões dependem das pressões
nas câmaras e das seções de passagem do ar que podem, por sua vez, ser controladas pelo valor da
tensão u aplicada à servoválvula.
Logo, o controle da dinâmica do sistema depende do monitoramento de seus estados e do
conhecimento dos seus parâmetros, incluindo as relações entre as vazões mássicas na servoválvula
com as pressões internas nas câmaras concomitantemente com as relações entre as vazões mássicas
na servoválvula com o sinal de controle u.
53
5.1.1 Vazão Mássica de Fluidos Compressíveis Através de Orifícios
O estudo das vazões mássicas na servoválvula pode ser abordado utilizando a teoria da mecâ-
nica dos fluidos que trata sobre o escoamento de fluidos compressíveis através de orifícios, como
já realizado por Bobrow e McDonell (1998), Perondi e Guenther (1999b) e Mare et al. (2000).
Assumem-se as hipóteses de que o processo de compressão do volume do ar devido ao estran-
gulamento na entrada do orifício de passagem é adiabático, reversível e realiza-se a uma velocidade
bastante alta, caracterizando um comportamento isentrópico. A Fig. 5.1 exemplifica o processo de
estrangulamento de um fluído compressível.
A
q
m
, p
u
, T q
m
, p
d
, T
Figura 5.1 – Estrangulamento na passagem do fluido
As hipóteses de velocidade constante, escoamento unidirecional e condição estática a montante
para o gás são assumidas. Nestas hipóteses ocorrem dois modos de vazão: sônica ou subsônica.
O regime de vazão depende da relação p
d
/p
u
entre as pressões jusante (p
d
) e montante (p
u
). A
vazão mássica assume comportamento subsônico para p
d
/p
u
< p
crit
, onde p
crit
é definido como
a relação de pressões crítica que caracteriza a transição de regime de escoamento saturado para
subsônico.
A vazão em regime subsônico é definida por (Perondi, 2002):
q
m
= A
0
p
u
2r
(r − 1)RT
p
d
p
u
2/r
−
p
d
p
u
r+1/r
(5.3)
De acordo com Mare et al. (2000), nos casos em que p
d
/p
u
≤ p
crit
, a vazão mássica entra em
regime saturado (ou sônico), e apresenta valor máximo e fixo dado por:
q
m
= A
0
p
u
r
RT
2
r + 1
r+1
r−1
(5.4)
A Fig. 5.2 apresenta o comportamento teórico da vazão mássica em função da razão p
d
/p
u
,
com p
crit
constante. Segundo Martin (1995), a relação crítica de pressões em que a transição ocorre
é dada por p
crit
= (2/(r +1))
r/(r+1)
. No caso do ar, o referido valor crítico é dado por 0,528 (Nouri
et al., 2000).
54
0.1
0.05
0.15
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
sˆonicasaturada
vaz˜ao m´assica q
m
(Kg/s)
P
d
/P
u
Figura 5.2 – Vazão Mássica Teórica
5.1.2 Identificação das Curvas de Vazão Mássica
De acordo com o projeto construtivo da servoválvula, variando a tensão de entrada u ocorre a
alteração na área do orifício de passagem de ar (A
0
). Logo, a vazão mássica teórica pode ser dada
por:
q
m
= A
0
(u)p
u
Ψ(p
d
/p
u
) (5.5)
onde a função Ψ(p
d
/p
u
) tem um valor constante para p
d
/p
u
≤ 0,528 quando o escoamento é
saturado, e um valor dependente da relação de pressões quando é subsônico (p
d
/p
u
> 0,528).
Devido às diferenças entre a abertura efetiva das servoválvulas e às perdas e irreversibilidades
que ocorrem no processo de passagem de ar no orifício, as pressões críticas encontradas são, na
prática, menores que as teóricas (Mare et al., 2000). Bobrow e McDonell (1998) mostram que
as expressões teóricas (5.3) e (5.4) podem ser insuficientes para representar o comportamento da
vazão em um sistema complexo como, por exemplo, um servoposicionador pneumático.
Isto leva à necessidade de obtenção experimental das curvas de vazão mássica em função das
pressões nas câmaras e da tensão u de acionamento da servoválvula. Para tanto, descreve-se a
vazão mássica como o produto de uma função das pressões por uma função de tensão, de acordo
com a Eq. (5.6) (note que esta equação representa a mesma estrutura da Eq. (5.5)):
q
m
(p
u
, p
d
,u) = [q
m
]
max
f
p
(p
u
, p
d
) f
u
(u) (5.6)
onde [q
m
]
max
é a vazão mássica máxima através do orifício, 0 ≤ f
p
(p
u
, p
d
) ≤ 1 é uma função das
pressões, e 0 ≤ f
u
(u) ≤ 1 é uma função que considera a abertura efetiva e depende da tensão na
servoválvula u.
55
Servosistemas pneumáticos são projetados de forma que se possa geralmente assumir as hipó-
teses de que:
1. A pressão de suprimento é constante
2. A pressão de exaustão é igual à pressão atmosférica
Para o caso de enchimento de uma câmara do cilindro, a pressão montante p
u
= p
sup
enquanto
que a pressão jusante é a pressão p
i
da câmara i do cilindro. Assim, a vazão mássica da câmara i
do cilindro é descrita por:
q
ench
mi
(p
i
,u) = [q
ench
mi
]
max
f
ench
pi
(p
i
) f
ench
ui
(u) (5.7)
onde f
ench
pi
(p
i
) é a função da pressão quando no enchimento da câmara i e f
ench
ui
(u) é a função de
tensão correspondente ao enchimento da câmara i.
Para o caso de exaustão de uma câmara do cilindro, a pressão montante p
u
= p
i
e a pressão
jusante são a pressão atmosférica p
i
= p
atm
da câmara i do cilindro. A vazão mássica da câmara i
do cilindro é descrita por:
q
exau
mi
(p
i
,u) = [q
exau
mi
]
max
f
exau
pi
(p
i
) f
exau
ui
(u) (5.8)
onde f
exau
pi
(p
i
) é a função da pressão de exaustão da câmara i e f
exau
ui
(u) é a função de tensão
correspondente à exaustão da câmara i.
O levantamento experimental destas funções é realizado com o êmbolo do cilindro em posição
fixa, logo com o volume das câmaras constantes. Assim pode-se reescrever a Eq. (5.2) como:
q
mi
(p
i
(t),u) =
Vi
RrT
˙p
i
(t) (5.9)
Baseando-se na expressão (5.9), os seguintes procedimentos foram realizados para a aquisição
dos valores experimentais de ambas as câmaras do cilindro, tanto para as situações de enchimento
quanto de exaustão:
1. Para uma seqüência de valores de tensão na servoválvula, medição do comportamento das
pressões ao longo do tempo. Para isto foi desenvolvido um programa que automatiza este
processo.
2. Cálculo das derivadas das pressões em relação ao tempo, obtendo as vazões mássicas em
função do tempo para cada valor de tensão na servovávula.
3. Obtenção das curvas estáticas vazão-pressão, cruzando termo a termo os valores das curvas
obtidas nos passos 1 e 2.
56
4. Determinação a partir das curvas obtidas no passo 2, dos valores máximos da vazão em cada
câmara.
O procedimento descrito foi realizado para ambas as câmaras do cilindro na situação de vo-
lume máximo.
Para as curvas apresentadas a seguir foi utilizado o filtro Savitzky-Golay (MathWorks, 2005).
As curvas experimentais para pressão em função da tensão e do tempo estão apresentadas na
Fig. 5.3 enquanto que as curvas experimentais para a vazão em função da tensão e do tempo estão
apresentadas na Fig. 5.4. Finalmente, as curvas experimentais para a vazão em função da tensão e
da pressão estão apresentadas na Fig. 5.5.
Os gráfico s das vazões mássicas normalizadas em relação a pressão estão apresentados na
Fig. 5.6, estes são adquiridos a partir dos pontos de máxima vazão para as diferentes tensões
aplicadas conforme Fig. 5.4. Os gráficos das vazões mássicas normalizadas em relação a tensão
estão apresentados na Fig. 5.7, estes são adquiridos a partir da curva que segue do ponto de máxima
vazão, seguindo a mesma tensão até a estabilidade da pressão da Fig. 5.5.
As vazões mássicas máximas estão expostas na Tabela 5.1, adquiridas a partir dos valores
máximos da Fig. 5.4.
Tabela 5.1 – Dados da bancada
Vazão mássica máxima enchendo (câmara 1) 0.1765 Kg/s
Vazão mássica máxima exaurindo (câmara 1) 0.1486 Kg/s
Vazão mássica máxima enchendo (câmara 2) 0.2094 Kg/s
Vazão mássica máxima exaurindo (câmara 2) 0.1928 Kg/s
5.1.3 Identificação do Atrito
O atrito é uma das principais não-linearidades existentes nos sistemas servopneumáticos, di-
ficultando o controle de servoposicionadores (Perondi, 2002). Em sistemas servopneumáticos a
principal fonte de atrito está no contato entre o anel de vedação e o cilindro. Em cilindros com
haste também há atrito no contato da haste com a extremidade do cilindro.
O atrito depende de condições ambientais tais como temperatura, lubrificação, direção do
movimento, velocidade do êmbolo, imperfeições do cilindro, entre outros.
Para realizar simulações que representem o sistema em análise, é necessário utilizar um mo-
delo de atrito. Um exemplo é o modelo de Lugre (Canudas et al. (1995)). Este modelo tem como
característica a consideração do movimento em regime de pré-deslizamento.
57
(a) câmara 1 esvaziando (b) câmara 1 enchendo
(c) câmara 2 esvaziando (d) câmara 2 enchendo
Figura 5.3 – Curvas experimentais pressão x tempo x tensão
58
(a) câmara 1 esvaziando (b) câmara 1 enchendo
(c) câmara 2 esvaziando (d) câmara 2 enchendo
Figura 5.4 – Curvas experimentais vazão x tempo x tensão
59
(a) câmara 1 esvaziando (b) câmara 1 enchendo
(c) câmara 2 esvaziando (d) câmara 2 enchendo
Figura 5.5 – Curvas experimentais vazão x pressão x tensão
60
(a) câmara 1 enchendo (b) câmara 1 esvaziando
(c) câmara 2 enchendo (d) câmara 2 esvaziando
Figura 5.6 – Curvas experimentais estáticas de vazão versus pressão
(a) câmara 1 enchendo (b) câmara 1 esvaziando
(c) câmara 2 enchendo (d) câmara 2 esvaziando
Figura 5.7 – Curvas experimentais estáticas de vazão versus tensão
61
Canudas et al. (1995) propõem o uso da parametrização apresentada na Fig. 5.8 que leva em
consideração os atritos seco e viscoso, bem como o efeito de Stribeck (Armstrong-Helouvry et al.,
1994) e é expressa por:
g( ˙y) = F
c
+ (F
s
+ F
c
)e
( ˙y/v
s
)
2
(5.10)
onde ˙y é a velocidade relativa entre duas superfícies e g(˙y) é uma função que depende de fato-
res como propriedades dos materiais, lubrificação e temperatura. F
c
é a força de atrito seco (ou
Coulomb), F
s
é a força de atrito estático e v
s
é a velocidade de Stribeck.
velocidade constante [m/s]
atrito [N]
atrito viscoso
atrito est´atico
atrito de Coulomb
velocidade de Stribeck
Figura 5.8 – Curva estática de força de atrito pela velocidade constante (Perondi, 2002)
O mapa estático de atrito adquirido na bancada está apresentado na Fig. 5.10. Este foi obtido
através da imposição de velocidades constantes (positivas e negativas) realizadas através de um
controlador PID calibrado utilizando o método Ziegler-Nichols. A Fig. 5.9 apresenta o resultado
do controlador PID para velocidade constante de 0.1m/s.
A partir do momento em que o controlador estabiliza, mantendo a velocidade do êmbolo cons-
tante, a diferença entre as pressões nas câmaras 1 e 2 são adquiridas e multiplicadas pela área do
êmbolo, resultando na força de atrito (F
a
). Este procedimento é repetido para uma amostra de
velocidades.
Outros atritos existentes no sistema do servoposicionador, como por exemplo, o atrito entre a
correia e a polia são desconsiderados.
Através da Fig. 5.10 verifica-se que o efeito de Stribeck (ver, por exemplo, em Armstrong-
Helouvry et al. (1994)) não se mostra significativo, conforme característica de atuadores sem haste
já referenciada, por exemplo, em Santos (1996). O efeito de Stribeck, responsável pelo efeito
de stick-slip (adere-desliza), é resultado das não linearidades provindas do atrito no servoatuador,
característico em baixas velocidades.
62
Figura 5.9 – Resposta do controlador PID para velocidade de 0.1m/s
Os valores de atrito adquiridos representados na Fig. 5.10 para ˙y > 0 estão dispostos na Ta-
bela 5.2 e para ˙y < 0 estão dispostos na Tabela 5.3.
Tabela 5.2 – Atrito para ˙y > 0
Atrito estático 75.0N
Atrito de Coulomb 64.3N
Atrito viscoso 0.82N
Velocidade de Stribeck 0.02N
Tabela 5.3 – Atrito para ˙y < 0
Atrito estático -62.6N
Atrito de Coulomb -51.5N
Atrito viscoso 1.18N
Velocidade de Stribeck -0.03N
5.1.4 Temporização
No projeto de desenvolvimento de uma arquitetura de controle para servoposicionadores pneu-
máticos uma das variáveis importantes é a determinação do tempo dos ciclos de controle. A
Fig. 5.11 mostra o tempo do ciclo de controle adquirido durante a execução de um PID.
Estes dados estão sintetizados na Tab. 5.4. Observa-se uma baixa latência existente na arquite-
tura para o controle do servoposicionador, levando em consideração a utilização de um microcom-
putador de baixo desempenho (ver Tabela 3.12). Conclui-se que o sistema executa o algoritmo
63
Figura 5.10 – Mapa estático de atrito
de controle com eficiência, de acordo com os requisitos temporais determinados no projeto do
servoposicionador.
Tabela 5.4 – Tempo dos ciclos
Média [ms] 0.9999
Máximo [ms] 1.0700
Mínimo [ms] 0.9294
Desvio Padrão [ms] 0.0078
Figura 5.11 – Períodos dos ciclos de aquisição e acionamento
64
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS E CONCLUSÕES
No presente trabalho foi realizada uma revisão bibliográfica que abrange a análise de soluções
para o controle digital em tempo real, os componentes pneumáticos utilizados em servoposiciona-
dores pneumáticos e as principais técnicas de controle de servoposicionadores pneumáticos.
Foi realizado o projeto de uma bancada experimental e dimensionados os componentes pneu-
máticos e os equipamentos utilizados para processamento e sensoriamento da bancada. Poste-
riormente foram desenvolvidos os sistemas de interfaceamento dos sensores com a central de
processamento, condicionamento de sinais e os processos de controle e monitoramento do ser-
voposicionador pneumático. Por fim foram realizados os testes para determinação dos parâmetros
do sistema (tais como a vazão mássica, força de atrito e a eficiência temporal na execução dos
algoritmos de controle).
Na revisão bibliográfica foram pesquisadas as principais soluções para a construção de servo-
posicionadores pneumáticos, avaliando as condições favoráveis e desfavoráveis de cada uma das
soluções segundo critérios de custo, desempenho, etc. Foram pesquisadas as técnicas de controle
mais utilizadas para o controle de servoposicionadores. Observou-se assim a necessidade do de-
senvolvimento de um sistema de controle flexível visto a tendência de aumento da complexidade
dos algoritmos para controle utilizados em servoposicionadores pneumáticos. Após estudos de vi-
abilidade e custo, optou-se pelo desenvolvimento de um sistema híbrido com microprocessadores
e microcontroladores, visando principalmente a flexibilidade do sistema final.
Como resultado da revisão bibliográfica foi verificada a necessidade de precisão temporal no
controle da bancada experimental. Este requisito foi resolvido através da implementação de pro-
cessos de controle desenvolvidos sobre o sistema operacional GNU/Linux com suporte a tempo
real (RTAI). Em conjunto a estas ferramentas, foram utilizados os softwares para o desenvolvi-
mento de algoritmos de controle (Scilab/Scicos), e de monitoramento (XRtaiLab). Todos os pro-
gramas descritos anteriormente são de código aberto e de livre distribuição, condições favoráveis,
portanto, aos critérios de custo e de independência tecnológica.
Por fim, foi realizada a caracterização do sistema através da identificação das curvas de vazão
mássica através dos orifícios da servoválvula para ambas as câmaras do cilindro pneumático, a
identificação do atrito do cilindro pneumático e a verificação da eficiência da temporização deter-
minada pelo sistema de tempo real.
A arquitetura de controle demonstrou-se eficiente para o controle de servoposicionadores
pneumáticos principalmente com relação aos seguintes itens:
• Tempo de Ciclo. O sistema demonstrou ter garantias quanto a determinação do tempo de
65
execução de seus processos, mesmo utilizando hardware de baixo custo.
• Tecnológico. Todos os aplicativos utilizados para controlar a bancada possuem código aberto
e de livre utilização, evitando assim a dependencia de tecnologias fechadas. Alterações
necessárias podem ser realizadas independentemente.
• Econômico. O sistema resultante demonstrou ser economicamente atrativo visto que o sis-
tema implementado não tem dependência de materiais (hardware) nem programas (softwa-
res) caros (cerca de 90%).
• Flexibilidade. Para o desenvolvimento de algoritmos de controle para servoposicionadores
pneumáticos tem-se muita flexibilidade através da utilização dos blocos de programação
fornecidos pelo sistema Scilab/Scicos.
• Modularidade. O sistema desenvolvido é modular, podendo ser dividido, inclusive, entre
diferentes centrais de processamento e monitoramento.
Conclui-se que o trabalho atingiu as metas propostas de desenvolver um servoposicionador
pneumático barato e preciso. Por ser um produto flexível, robusto e de baixo custo, o sistema
desenvolvido pode ser utilizado em outras áreas de controle de posicionamento. Com isto, esta
bancada colabora com o desenvolvimento de tecnologias que permitam a disseminação de servo-
posicionadores na indústria através da diminuição de custos, mantendo a robustez das soluções.
6.1 Trabalhos Futuros
Pesquisas futuras sobre o desenvolvimento de arquiteturas de controle poderão abordar os
seguintes itens:
• Aplicação da arquitetura de controle em sistemas embarcados. A implementação desta
arquitetura em hardwares mais compactos (embarcados) que permitam que esta solução seja
aplicada em uma maior quantidade de aplicações, como, por exemplo, no controle aeroespa-
cial.
• Desenvolvimento de sistemas de controle orientado a objetos. A implementação desta
arquitetura de controle utilizando a filosofia de orientação a objetos, aumentando a modula-
ridade do sistema.
• Desenvolvimento de sistemas de controle para robótica paralela. A utilização desta ar-
quitetura para controle de dois ou mais servoatuadores em paralelo, auxiliando no desenvol-
vimento de soluções mais robustas para manipulação de objetos.
66
• O modelo de Stribeck. Uma adequada identificação experimental do mapa estático de atrito
do servoposicionador, depende da utilização de um controlador eficiente para a velocidade.
Assim, na medida em que novos controladores forem desenvolvidos (além do PID), mapas
mais acurados poderão ser obtidos.
• Avaliar as vibrações. Verificar os modos de freqüência existentes no sistema e, se for
necessário, diminuir a interferência da vibração da correia dentada na leitura da posição.
• Segurança contra falhas. Implementar algoritmos de verificação de segurança do sistema,
como por exemplo a chegada do fim de curso no cilindro pneumático ou falhas no sistema
de controle e aquisição.
67
REFERÊNCIAS
ANAKWA, W. K. N.; THOMAS, D. R.; JONES, S. C.; BUSH, J.; GREEN, D.; ANGLIN,
G. W.; RIO, R.; SHENG, J.; GARRETT, S.; CHEN, L. Development and control of a prototype
pneumatic active suspension system. IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, v. 45, p. 43–49,
2002.
ANDRIGHETTO, P. L.; VALDIERO, A. C.; CARLOTTO, L.; HARTER, I. I. Desenvolvimento
de um manipulador robótico acionado pneumaticamente. IX Seminário de Automação e Processos,
out. 2005.
ANDRIGHETTO, P. L.; VALDIERO, A. C.; VINCENSI, C. N. Experimental comparisons of the
control solutions for pneumatic servo actuators. 2005.
ARINAGA, T.; KAWAKAMI, Y.; TERASHIMA, Y.; KAWAI, S. Approach for energy-saving
of pneumatic systems. In: Proceedins of the 1st FPNI - PhD Symposium, Fluid Power Net
International, 2000.
ARMSTRONG-HELOUVRY, B.; DUPONT, P.; WIT, C. C. de. A survey of models, analysis
tools, and compensation methods for control of machines with friction. Automatica, v. 30, p.
183–1138, 1994.
ATMANAND, M. A.; KONNUR, M. S. A novel method of using a control valve for measurement
and control of flow. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,
v. 48, p. 1224–1226, 1999.
BACHMANN, R. J.; SURGENOR, B. W. On the Design and Performance of a Closed Circuit
Pneumatic Positioning System. In: The Fifth Scandinaviam International Conference on Fluid
Power, 1997.
BELGHARBI, M.; SESMAT, S.; THOMASSET, D.; SCAVARDA, S. Force Tracking Control of
an Electro-pneumatic Actuator Using a Linearized Model Around the Reference Trajectory. In:
Power Transmission and Motion Control, 1998.
BOBROW, J. E.; JABBARI, F. Adaptive pneumatic force actuation and position control. ASME
Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, v. 113, p. 267–272, 1991.
BOBROW, J. E.; MCDONELL, B. W. Modeling, identification, and control of a pneumatically
actuated force controllable robot. 1998.
BOUDART, S.; RICHARD, E.; SCAVARDA, S. A modified linear reduced observer for a
pneumatic servodrive. In: Proceedings of Fourth Bath International Fluid Power Workshop, 1991.
BOURI, M.; THOMASETT, D.; RICHARD, E.; SCAVARDA, E. Nonlinear sliding mode control
of an electropneumatic servodrive. In: Proceedings 7th Bath International Fluid Power Workshop,
1994. p. 21–23.
BRUN, X.; THOMASSET, D.; BIDEAUX, E.; SCAVARDA, S. An accurate traking control of an
electropneumatic actuator. In: , 2000. p. 215–226.
BUCHER, R.; DOZIO, L.; MANTEGAZZA, P. Rapid control prototyping with scilab/scicos and
linux rtai. Scilab-2004, 2004.
BUCHER, R.; MANNORI, S. Using scilab/scicos with rtai-lab. In: Fifth Real-Time Linux
Workshop, 2003.
68
BUESCHER, W. WinPic. 2005. Disponível em: <http://www.qsl.net/dl4yhf/winpicpr.html>.
Acesso em: 05/12/2005.
CANUDAS, C.; OLSSON, H.; ASTROM, K. J.; LISCHINSKY, P. A new model for control
systems with friction. IEEE Trans. on Automatic Control, v. 40, p. 419–425, 1995.
CHOI, G. S.; LEE, H. K.; CHOI, G. H. A study on tracking position control of pneumatic
actuators using neural network. In: Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE
Industrial Electronics Society, 1998. v. 3, p. 1749–1753.
COELHO, L. dos S.; RODRIGUES, A. A. Algoritmos evolutivos em identificação e controle de
processos: Uma visão integrada e perspectivas. v. 10, 1999.
CRUZ, F. B. C. Modelagem e Controle Não-Lineares de um Posicionador Servopneumático
Industrial. Dissertação (Mestrado) — UFSC, Florianópolis, 2003.
DIAPM, D. of Aerospace Engineering of Politecnico di M. Real-Time Application Interface.
2005. Disponível em: <http://www.rtai.org/>. Acesso em: 05/12/2005.
DORF, R. H. Modern Control Systems: Addison-Wesley Publishing Conpany, 1989.
DOZIO, L.; MANTEGAZZA, P. Linux real time application interface in low cost high
performance motion control. In: ASSOCIAZIONE NAZIONALE ITALIANA PER
L’AUTOMAZIONE. Motion Control 2003, 2003.
dSPACE GmbH. set. 2005. Disponível em: <www.dspace.com>. Acesso em: 05/12/2005.
EDGE, K. A. The control of fluid power systems - responding to the challenges. Proc. Inst.
Mechanical Engineering, v. 211, p. 91–110, 1997.
Festo Corporation. 2005. Disponível em: <www.festo.com>. Acesso em: 05/12/2005.
FRANKLIN, G. F.; POWELL, J. D.; EMANI-NAEINI. Feedback Control of Dynamic Systems:
Addison Wesley Publishing Company, 1994.
GIBERTI, H.; RIGHETTINI, P.; TASORA, A. Design and experimental test of a pneumatic
translational 3dof parallel manipulator. In: 10th International Workshop on robotics in
Alpe-Adria-Danube region, 2001.
GOTTERT, M.; NEUMANN, R. Nichlineare regelungskonzepte fur servopneumatische roboter.
3th German-Polish seminar in Innovation and Progress in Fluid Engineering, 1999.
GRANOSIK, G.; BORENSTEIN, J. Minimizing air consumption of pneumatic actuators in
mobile robots. 1998.
GROSS, D. C.; RATTAN, K. S. A feedforward mnn controller for pneumatic cylinder trajectory
tracking control. In: International Conference on Neural Networks, 1997. v. 2, p. 794 –799.
GUOLIANG, T.; XUANYIN, W. Research on pneumatic-servo calligraphy robot. 2003.
HANCHIN, G. D.; OZGUNER, U.; DRAKUNOV, S. Nonlinear control of a rodless pneumatic
servoactuator. First IEEE Conference on Control Applications, v. 1, p. 516–521, 1992.
HARRISON, R.; WESTON, R. H.; MOORE, P. R.; THATCHER, T. W. A study of application
areas for modular robots. Robotica, 1987.
69
HATIPOGLU, C.; BENNETT, M. A.; AMATO, W. P.; MORAN, S. P. Overcoming actuator
performance degradation caused by non-smooth nonlinearities. In: Proceedings of the 1999
American Control Conference, 1999. v. 1, p. 167–168.
INRIA. Scicos. 2005. Disponível em: <http://www.scicos.org>. Acesso em: 05/12/2005.
INRIA. Scilab. 2005. Disponível em: <http://www.scilab.org/>. Acesso em: 05/12/2005.
KAWAMURA, S.; MIYATA, K.; HANAFUSA, H.; ISIDA, K. Pi type hierarchical feedback
control scheme for pneumatic robots. In: , 1989. v. 3, p. 1853–1858.
KILIAN, C. T. Modern Control Technology - Components and Systems: Delmar, 2000.
KUNZ, G.; DAMASIO, F.; KICHALOWSKI, M. Aplicações scada utilizando gnu/linux. InTech,
v. 51, p. 46, 2003.
LAGES, W. F. Arquiteturas para acionamento e controle em tempo real de robôs. II Simpósio de
Computação, Informática e Tecnologia do Vale do Taquari, 2004.
LAGES, W. F.; ALT, G. H. Controle em tempo real de sistemas dinâmicos atrvés de redes ip. In:
3o Congresso Internacional de Automação, Sistemas e Instrumentação, 2003.
LAI, Y. J.; MENQ, C. H.; SINGH, R. Accurate position control of a pneumatic actuator. ASME
Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, v. 112, p. 734–739, 1990.
LARA-ROJO, F.; N.SANCHEZ, E.; ZALDIVAR-NAVARRO, D. Real-time fuzzy microcontroller
for a didatic level system. In: International electronic enginner conference, 2001.
LATINO, F.; SANDOVAL, D. Quit overspending for servomotion systems. Machine Design, p.
93–96, 1996.
LIN, X.; SPETTEL, F.; SCAVARDA, S. Modeling and test of an eletropneumatic servovalve
controlled long rodless actuator. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control,
v. 118, p. 457–462, set. 1996.
LIU, S.; BOBROW, J. E. An analysis of a pneumatic servo system and its application to a
computer-controlled robot. 1988.
MARE, J. C.; GEIDER, O.; COLIN, S. An improved dynamic model of pneumatic actuators.
Internation Journal of Fluid Power, v. 2, p. 39–47, 2000.
MARTIN, H. The Design of Hydraulic Components and Systems: Ellis Horwood Limited, 1995.
MATHWORKS. MatLab. 2005. Disponível em: <http://www.mathworks.com/>. Acesso em:
05/12/2005.
MCDONELL, B. W. Modeling, Identification, and Control of a Pneumatically Actuated Robotic
Manipulator. Tese (Doutorado) — University of California, 1996.
MCDONELL, B. W.; BOBROW, J. E. Modeling, identification, and control of a pneumatically
actuated robot. In: Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and
Automation, 1997. v. 1, p. 124–129.
MEANWELL. 25W Single Output Switching Power Supply, 2004.
MICROCHIP. 2005. Disponível em: <www.microchip.com>. Acesso em: 05/12/2005.
70
NORITSUGU, T.; TAKAIWA, M. Robust positioning control of pneumatic servo system with
pressure control loop. In: Proceedings of the 1995 IEEE International Conference on Robotics
and Automation, 1995. v. 3, p. 2613–2618.
NOURI, B.; BENDER, F. A. I.; SWEVERS, J.; VANHERCK, P.; BRUSSEL, H. V. Modeling
a pneumatic servo positioning system with friction. In: Proceedings of the ACC, 2000. p.
1067–1071.
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno: Prentice Hall do Brasil LTDA, 1998.
OKIYAMA, K.; ICIRYU, K. Study of pneumatic motion base control charanteristics. In: , 2001.
p. 228–232.
PANDIAN, S. R.; HAYAKAWA, Y.; KANAZAWA, Y.; KAMOYAMA, Y.; KAWAMURA, S.
Pratical design of a sliding mode controller for pneumatic actuators. ASME Journal of Dynamic
Systems, Measurement and Control, v. 119, p. 666–674, 1997.
PANDIAN, S. R.; LEDA, K.; KAMOYAMA, Y.; KAWAMURA, S. Modeling and control of a
pneumatic rotary actuator. In: Power Transmition and Motion Control, 1998.
PANDIAN, S. R.; TAKEMURA, F.; HAYAKAWA, Y.; KAWAMURA, S. Control performance
of an air motor - can air motors replace eletric motors? In: Proceedings of the 1999 IEEE
International Conference on Robotics and Automation, 1999. v. 1, p. 518–524.
PAUL, A. K.; MISHRA, J. E.; RADKE, M. G. Sliding mode control of pneumatic actuator
for robotic application. In: Proceedings of the 1993 IRIRR/RSJ International Conference on
Intelligent Robot and Systems, 1993. v. 2, p. 1268–1275.
PAUL, A. K.; MISHRA, J. E.; RADKE, M. G. Reduced order sliding mode control for pneumatic
actuator. IEEE Transactions on Control Systems Technology, v. 2, p. 271–276, 1994.
PEREIRA, C.; KUNZ, G.; ATAIDE, F.; FREITAS, E.; TEODORO, E.; CARVALHO, F.
Performance evaluation of a java architecture used in embedded real time systems. In: ETFA,
2005.
PERONDI, E. Controle não-linear em cascata de um servoposicionador pneumático com
compensação de atrito. Tese (Doutorado) — UFSC, Florianópolis, 2002.
PERONDI, E. A.; GUENTHER, R. Controle com compensação de atrito de um servoposicionador
pneumático. In: Anais do IV Congreso Iberoamericano de Ingenieria Mecánica, 1999.
PERONDI, E. A.; GUENTHER, R. Controle em malha fechada de um servoposicionador
pneumático. Anais do XV Congresso Brasileiro de Engenharia Mecânica, 1999.
PINCHES, M. J.; CALLEAR, B. J. Power pneumatics. 1996.
PU, J.; MOORE , P. R.; HARRISON, R.; WESTON, R. H. A study of gain-scheduling method
for controlling the motion of pneumatic servos. In: Proceedings of Sixty Bath International Fluid
Power Workshop, 1993. p. 193–210.
PU, J.; WANG, J. H.; MOORE, P. R.; WONG, C. B. A new strategy for closed-loop control of
servo-pneumatic systems with improved energy efficiency and system response. 1997.
71
PU, J.; WESTON, R. H.; MOORE, P. R. Digital motion control and profile planning for pneumatic
servos. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, v. 114, p. 634–640, dez.
1992.
RAJENDRAN, S.; BOLTON, R. W. Position control of a servopneumatic actuator using fuzzy
compensation. In: Proceedings of the 2003 American Society for Engineering Education Annual
Conference & Exposition, 2003.
RENN, J. C.; LIAO, C. M. A study on the speed control performance of a motor and the
application to pneumatic tools, 2004.
RICHARD, E.; SCAVARDA, S. Comparison between linear and nonlinear control of an
electropneumatic servovalve. Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, v. 118, p.
245–252, 1996.
RICHARDSON, R.; PLUMMER, A. R.; BROWN, M. D. Self-tuning control of a low-friction
pneumatic actuator under the influence of gravity. IEEE Transactions on Control Systems
Technology, v. 9, p. 330–334, 2001.
SANTOS, E. A. P. Análise Teórico Experimental de um Posicionador Pneumático. Tese
(Doutorado) — UFSC, Florianópolis, 1996.
SCAVARDA, S.; THOMASSET, D. Modeling and control of electropneumatic systems: An
overview of recent french contributions. Internacional Conference on Control, v. 2, p. 1462–1467,
1996.
SCHLEEF, D.; HESS, F. M. Comedi Project. 2005. Disponível em: <http://www.comedi.org/>.
Acesso em: 05/12/2005.
SHIH, M. C.; HUANG, C. G. Fuzzy pwm control oh the positions of a pneumatic robot cylinder
using high speed solenoid valve. JSME - Japan Society of Mechanical Engineers International
Journal, v. 40, p. 469–476, 1997.
SLOTINE, J.-J. E. Applied Nonlinear Control: Pearson Education, 1991.
SONG, J.; BAO, X.; ISHIDA, Y. An application of mnn trained by meka for the position control
of pneumatic cylinder. International Conference on Neural Networks, v. 2, p. 829–833, 1997.
SU, W. C.; KUO, C. Y. Variable structure control of a rodless pneumatic servoactuator with
discontinuous sliding surfaces. In: Proceedings of the 2000 American Control Conference, 2000.
v. 3, p. 1617–1621.
Sun Microsystems. The Real-Time Java Platform. jun. 2004.
SURGENOR, B. W.; VAUGHAN, N. D. Continuous sliding mode control of a pneumatic actuator.
ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, v. 119, p. 578–581, 1997.
SURGENOR, B. W.; VAUGHAN, N. D.; UEBLING, E. Continuos sliding mode control of
a pneumatic positioning system. In: Proceedings of Eighth Bath International Fluid Power
Workshop, 1995. p. 270–285.
TAIT’S, D. 1999. Disponível em:
<http://members.optusnet.com.au/dontronics/dtait/piclinks.html>. Acesso em:
05/12/2005.
72
TANAKA, K.; YAMADA, Y.; SHIMIZU, A.; SHIBATA, S. Multi-rate adaptative pole-placement
control for pneumatic servo system with additive external forces. In: , 1996. v. 1, p. 213–218.
TANG, J.; WALKER, G. Variable structure control of a pneumatic actuator. Journal of Dynamic
Systems, Measurement and Control, v. 117, p. 88–92, 1995.
THOMASSET, D.; RICHARD, E.; SCAVARDA, S.; LIN, X. F.; SESMAT, S.; BOUHAL, A.
Control of an electro-pneumatic servodrive: a state-affine or a sliding approach. IFAC World
Congress, 1993.
VALDIERO, A. C. Controle de Robôs Hodráulicos com Compensação de Atrito. Tese
(Doutorado), 2005.
VIEIRA, A. D. Análise Teórico-experimental de Servoposicionadores Lineares Pneumáticos.
Tese (Doutorado), 1998.
VIRVALO, T. Designing a pneumatic position servo system. Power International, p. 141–147,
1989.
VIRVALO, T. Modeling and design of a pneumatic position servo system realized with
commercial components. 1995.
YIN, Y. B.; ARAKI, K. Modelling and analysis of an asymmetric valve-controlled single-acting
cylinder of a pneumatic force control system. In: Proceedings of the 37th SICE Annual
Conference, 1998. p. 1099 –1104.
73
APÊNDICE A -- ANEXOS
A.1 Código do Decoder
Abaixo é apresentado o código desenvolvido para implementação do sistema de contagem do
encoder incremental utilizando o microcontrolador PIC18F2550. Este programa também realiza a
comunicação com o sistema de controle principal através da porta serial do microcomputador.
∗ ∗
74
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗
∗ ∗
75
A.2 Código de controle dos dispositivos do servoposicionador
A seguir é apresentado o código desenvolvido para um microcomputador IBM-PC com sis-
tema operacional GNU/Linux. Este programa realiza as funções de controle, em tempo real, dos
dispositivos do servoposicionador, realizando a comunicação com o algoritmo de controle proje-
tado no ambiente Scilab/Scicos.
∗
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A.3 Bloco do Scilab
A figura a seguir mostra o bloco desenvolvido para o ambiente Scilab/Scicos. Este bloco
possui duas entradas (tempo e sinal para o servoatuador) e três saídas (valores das pressões e da
posição).
Figura A.1 – Bloco de representação do servoposicionador no sistema Scicos/Scilab
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