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Doctoral Thesis
Full name
Fellipe Garcia Marques
Knowledge Area
Date of Defense
São Paulo, 2019
Garcia, Claudio (President)
Cuadros, Marco Antonio de Souza Leite
Munaro, Celso José
Perez, José Manuel Gonzalez Tubio
Romano, Rodrigo Alvite
Title in English
Modeling and automatic friction compensation of pneumatic diaphragm valves with digital positioners
Keywords in English
Adaptive inverse control
Diaphragm valves
Friction compensation
Friction modeling
Friction parameters estimation
Abstract in English
Pneumatic diaphragm valves with high friction index have the potential to decrease the control loop performance and induce limit cycles. Usually, the friction models used to model diaphragm valves are the simplest ones, mainly because there are not precise sensors available to benefit from friction models with higher complexity, as the dynamics that are modeled by more complex friction models can not be observed experimentally. In this thesis, algorithms and guidelines are designed to estimate, in open and closed loop, the valve model with simpler friction models, such as the Kano and Karnopp, as well as more complex friction models, such as the LuGre and GMS. The experimental tests, performed with two industrial valves with stem position and diaphragm pressure sensors, one with higher and the other with lower friction index, show that the GMS model has the most consistent prediction precision, with slightly better accuracy than the Karnopp model. The automatic friction compensation is developed using the Adaptive Inverse Control framework, where an offline process tunes a given controller using the previously estimated valve model. Experimental tests were performed, with several different control structures, using the Kano, Karnopp and GMS friction models to tune the controller. The results indicates that when the GMS friction model is used in the Adaptive Inverse Control framework, it is more likely to obtain optimal controller tunings, even though the Kano and Karnopp models provide pretty good tunings, as well.
Title in Portuguese
Modelagem e compensação automática de atrito em válvulas pneumáticas com posicionadores digitais.
Keywords in Portuguese
Controle adaptativo
Estimação paramétrica
Válvulas de controle pneumático
Abstract in Portuguese
Válvulas pneumáticas de controle com alto índice de atrito podem interferir negativamente no desempenho de malhas de controle, podendo induzir ciclos limite. Em geral, os modelos de atrito utilizados para modelar válvulas de controle são bastante simples, principalmente devido a uma indisponibilidade de sensores de alta precisão, pois não é possível observar experimentalmente os comportamentos que os modelos mais complexos são capazes de reproduzir. Neste trabalho, são desenvolvidos algoritmos e métodos para estimar, em malha aberta e fechada, o modelo da válvula utilizando tanto modelos de atrito mais simples, como o de Kano e o de Karnopp, quanto modelos de atrito mais complexos, como o de LuGre e o de GMS. Os testes experimentais, realizados utilizando duas válvulas pneumáticas industriais com sensores de posição da haste e pressão do diafragma, uma com alto e outra com baixo índice de atrito, indicam que o modelo GMS é o mais preciso, possuindo um desempenho levemente superior ao modelo de Karnopp. A compensação automática de atrito é realizada usando o método de Controle Adaptativo por Inversão, em que uma estrutura de controle é sintonizada em paralelo, utilizando o modelo estimado da válvula de controle. Inúmeros testes experimentais foram realizados, utilizando diversas estruturas de controle diferentes e empregando os modelos de atrito de Kano, Karnopp e GMS para sintonizar os controladores. Os resultados obtidos indicam que quando o modelo GMS é utilizado no método de Controle Adaptativo por Inversão, maior é a chance de se obter uma sintonia ótima do controlador, muito embora os modelos de Kano e Karnopp também sejam capazes de prover boas sintonias.
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