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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2018.tde-12032018-102141
Document
Author
Full name
Éverton Lins de Oliveira
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2017
Supervisor
Committee
Donha, Decio Crisol (President)
Angelico, Bruno Augusto
Serpa, Alberto Luiz
Title in Portuguese
Modelagem e controle do manipulador de uma escavadeira hidráulica.
Keywords in Portuguese
Robótica
Simulação (Modelagem)
Sistemas de controle
Sistemas não lineares
Abstract in Portuguese
Escavadeiras hidráulicas são máquinas versáteis, amplamente utilizadas na construção civil e mineração. Máquinas melhores, mais produtivas, eficientes e que oferecem segurança ao operador são uma demanda constante da indústria. Devido a estes fatores, o controle para a automação de uma escavadeira hidráulica tem sido investigado. Este estudo tem o seu foco voltado para o controle do manipulador do equipamento, que é considerado como um dos elementos fundamentais para o desenvolvimento de uma escavadeira automática. Para desenvolver um sistema de controle viável, primeiramente, foi realizado a modelagem matemática dos subsistemas mecânico e hidráulico do manipulador; posteriormente esses modelos foram acoplados para representar a interação dos subsistemas. Todos os modelos desenvolvidos foram comparados com modelos de referência, obtidos a partir de softwares comerciais dedicados a modelagem de sistema dinâmicos. Tendo sido verificado a capacidade de representação física dos modelos, a fase de projeto do controlador para o manipulador foi iniciada. Para que o controlador seja eficiente, este deve ter duas propriedades essenciais: robustez para lidar com as incertezas e distúrbios severos, e adaptabilidade para lidar com um ambiente de operação altamente dinâmico. A fim de projetar um controlador que considera a dinâmica de cada subsistema do manipulador, a técnica de controle em cascata foi adotada. Esta consiste em dividir o sistema global em subsistemas, de tal forma que seja possível projetar um controlador para cada subsistema. Devido à complexidade do modelo matemático, técnicas avançadas de controle linear e não linear foram combinadas no projeto dos controladores dos subsistemas. O controlador sintetizado foi testado através de simulação numérica, em ambiente MATLAB/Simulink®, na execução de um ciclo completo de trabalho pelo manipulador. Os resultados obtidos foram considerados satisfatórios, mesmo na presença de incertezas, distúrbios severos e de ruídos. Posteriormente, na comparação desses resultados com os de outros controladores, ficou claro que o melhor desempenho foi obtido com o controlador proposto. Isto indica a possível aplicabilidade de tal controlador para a automação deste tipo de equipamento.
Title in English
Modeling and control of the manipulator of a hydraulic excavator.
Keywords in English
Cascade control
Hydraulic excavator
Hydraulic manipulator
Mathematical modeling
Robust control
Abstract in English
Hydraulic excavators are versatile machines, widely used in civil construction and in mining. Better, more productive, and efficient machines that offer operator safety are a constant industry demand. Due to these factors, the control for the automation of a hydraulic excavator has been investigated. This study focuses on the control of the equipment's manipulator, which is considered as one of the fundamental elements for the development of an automatic excavator. To develop a viable control system, first, the mathematical modeling of the mechanical and hydraulic subsystems of the manip-ulator was carried out; later these models were coupled to represent the interaction between the subsystems. All the developed models were compared with reference models, obtained from a commercial software dedicated to dynamic system modeling. Having verified the physical representation capacity of the analytical models, the de-sign phase of the controller was started. For the controller to be efficient, it must have two essential properties: robustness to deal with severe uncertainties and disturb-ances, and adaptability to handle a highly dynamic operating environment. To design a controller that considers the dynamics of each subsystem of the manipulator, the cascade control technique was adopted. This consists of dividing the global system into subsystems, in such a way that it is possible to design a controller for each sub-system. Due to the complexity of the mathematical model, advanced linear and non-linear control techniques were combined in subsystem controllers design. The synthe-sized controller was tested by numerical simulation, in MATLAB/Simulink® environ-ment, in the execution of a complete work operation by the manipulator. The results obtained were considered satisfactory, even in the presence of uncertainties, severe disturbances and noise. Subsequently, in the comparison of these results with those of others controllers, it was clear that the best performance was obtained with the pro-posed controller. This indicates the possible applicability of such a controller to the automation of this type of equipment.
 
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Publishing Date
2018-03-13
 
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