Análise teórico-experimental de controladores para sistemas hidráulicos

Abstract

O presente trabalho trata do projeto e implementação experimental de controladores para o seguimento de trajetórias em um atuador hidráulico constituído por uma válvula direcional proporcional assimétrica e um cilindro diferencial de dupla ação. Os atuadores hidráulicos possuem grande potencial de aplicação nas indústrias de construção civil, equipamentos agrícolas, manuseio de materiais, mineração, siderurgia, aviação, marinha, processos de manufatura e lazer devido, dentre outras vantagens, a uma alta relação força/dimensão e flexibilidade de instalação. Todavia, estes atuadores apresentam características dinâmicas e não-linearidades que dificultam o seu controle em malha fechada em aplicações que requerem alto desempenho. Neste trabalho, analisa-se a influência da dinâmica da válvula direcional proporcional no comportamento do sistema e no projeto e desempenho dos controladores clássicos (P, PI, compensador de avanço e atraso de fase e controlador de estados), do controlador proporcional com "forward loop" e do controlador em cascata fixo (CC) com e sem compensação do vazamento. Para tanto foram feitos modelos lineares e não-lineares de 3a e 5a ordem do atuador hidráulico, onde os modelos de 3a ordem desconsideram a dinâmica da válvula e os modelos de 5a ordem consideram tal dinâmica. É proposto um modelo não-linear para representar o vazamento interno na válvula direcional proporcional e a inclusão de um termo na lei de controle do controlador em Cascata para compensar tal vazamento. Analisa-se a influência de perturbações externas (força peso e força de mola) no controle de posição e seguimento de trajetória aplicados ao atuador hidráulico, utilizando uma bancada de testes vertical, onde é possível aplicar força externa e carregamentos variáveis no atuador hidráulico, simulando situações reais vividas por esses componentes no meio industrial. A zona-morta da válvula é identificada e compensada através da análise da dinâmica das pressões no sistema de atuação. Resultados experimentais ilustram as principais características dos controladores, permitindo estabelecer uma relação custo/benefício dos mesmos, uma vez que o número de sensores envolvidos e a capacidade computacional requerida variam de acordo com o tipo de controlador.