Controle de um servoposicionador pneumático utilizando a técnica (NCTF) Nominal Characteristic Trajectory Following: um estudo de simulação

Abstract

Os sistemas de movimento de precisão vêm sendo, recorrentemente, foco de atenção de pesquisas ao longo do último século. A demanda por maior produtividade e qualidade dos produtos nas indústrias exige desenvolvimento de controle de posicionamento de alto desempenho, necessitando de um bom controlador para satisfazer requisitos como alta precisão, resposta rápida e robustez. Além disso, uma estrutura simples e projeto fácil do controlador são muito importantes no que se refere à aplicação prática. A modelagem e identificação de parâmetros são, geralmente, tarefas problemáticas e demoradas. Vários equipamentos de ultraprecisão continuam utilizando controladores simples, demonstrando que esse tipo de implementação e estrutura ainda são significativos em aplicações industriais. Contudo, vários mecanismos de precisão têm características não-lineares, representada pelo atrito e/ou seus atributos mecânicos, exigindo dos controladores características robustas. Neste trabalho implementou-se, utilizando o software Matlab, o controlador Nominal Characteristic Trajectory Following (NCTF), um controlador prático para sistemas de posicionamento ponto a ponto e contínuo, caracterizado por alta robustez e alto desempenho de posicionamento. A fim de se comparar o desempenho do controlador NCTF, foi proposto um controlador PI convencional projetado usando o método de Shamsuzzoha e Skogestad (2010). Para a simulação do processo (sistema servopneumático), foi adotada uma modelagem detalhada baseada em várias referências bibliográficas para a servoválvula (zona morta e equação de vazão) e para o conjunto cilindro-carga (dinâmica da pressão nas câmaras, dinâmica do atrito e movimentação). Os resultados obtidos para seguimento de diferentes sinais de referência (degrau, senoide e rampa) demonstram que o controlador NCTF se mostrou eficiente, apresentando baixos valores de sobressinal e tempo de acomodação para entrada do tipo degrau. Para as referências variáveis, observou-se um excelente seguimento, principalmente quando comparado com o controlador PI convencional.

Precision motion systems have been a focus point of research over the past century. The demand for increased productivity and product quality in industries call for the development of high-performance positioning control, requiring a good controller to satisfy requirements such as high precision, fast response and robustness. In addition, a simple structure and a straightforward controller project are very important when it comes to practical application. Modeling and parameter identification are often problematic and time- consuming tasks. Several ultra-precision devices continue to use simple controllers, demonstrating that this type of implementation and structure are still significant in industrial applications. However, several precision mechanisms have non-linear characteristics, represented by friction and/or their mechanical attributes, requiring that controllers have robust characteristics. In this study, using the Matlab software, the Nominal Characteristic Trajectory Following (NCTF) controller, a practical controller for point-to-point and continuous motion systems, was implemented. This contoller is characterized by high robustness and high positioning performance. In order to compare the performance of the NCTF controller, a conventional PI controller designed using the method of Shamsuzzoha and Skogestad (2010) was suggested. For the process simulation (servo-pneumatic system), a detailed modeling was adopted based on several bibliographic references for the servovalve (dead zone and flow equation) and for the cylinder-load set (chambers pressure dynamics, friction dynamics and movement). The results obtained for the tracking of different reference signals (step, sinusoid and ramp) demonstrate that the NCTF controller proved to be efficient, presenting low values of overlap and accommodation time for step-type reference. For time-variable references, an excellent tracking was observed, especially when compared to the conventional PI controller.