Modelação de sistemas hidráulicos para simulação com hardware-in-the-loop

Abstract

Um ambiente simulado é a via mais rápida, e de menores custos, para avaliar o desempenho de diferentes estratégias para controlo de sistemas hidráulicos. Neste campo emerge uma nova técnica, denominada simulação com hardware-in-the-loop (HILS), para teste de controladores reais em ambientes virtuais simulados em tempo real. A presente dissertação propõe uma metodologia para a organização de bibliotecas de modelos, um conjunto de modelos híbridos semi-empíricos para componentes de sistemas hidráulicos e uma plataforma para a realização de experiências de simulação com hardware-in-the-loop. A metodologia proposta baseia-se na associação de uma nova linguagem de modelação orientada por objectos, chamada Modelica, para a descrição da estrutura dos modelos, com o formalismo gráfico dos Statecharts para a descrição do seu comportamento híbrido. Tendo em vista a concretização da metodologia, foi desenvolvida uma biblioteca de modelos para a implementação do formalismo dos Statecharts em Modelica. Entre os modelos para componentes hidráulicos propostos está um conjunto de modelos semi-empíricos para a modelação de válvulas proporcionais de elevado desempenho. Os modelos desenvolvidos usam dados do fabricante ou dados experimentais para ajuste dos parâmetros, de forma a reproduzir as características estáticas (ganho de pressão, caudal de fugas e ganho de caudal) e dinâmicas (resposta em frequência) da válvula. Foi construída uma plataforma para teste do desempenho dos modelos híbridos desenvolvidos em simulações com hardware-in-the-loop. A plataforma é composta por um manipulador com actuação hidráulica equipado com um conjunto de transdutores, por hardware de tempo real e por um conjunto de ferramentas de software para aquisição de dados e controlo. De um conjunto de experiências HILS, realizadas com diferentes núcleos de tempo real, foram obtidos resultados muito promissores para os modelos semi-empíricos propostos.

A simulated environment is the less expensive and fastest way of evaluating the relative merits of different control schemes for a given hydraulic system. A new technique, called hardware-in-the-loop simulation (HILS), is emerging to test hardware controllers in virtual environments simulated in real time. This thesis proposes a methodology to organize model libraries, a set of semiempirical hybrid models for hydraulic components and a platform for hardwarein- the-loop simulation experiments. The methodology holds in the association of a new object oriented modelling language, called Modelica, to describe model structure, with the Statecharts graphical formalism to describe its hybrid behaviour. In order to implement the proposed methodology, a new Statecharts library in Modelica was developed. Among the proposed hydraulic component models there is a set of new semiempirical models for high performance proportional valves. The developed models use either data sheet or experimental values to fit the model parameters in order to reproduce both static (pressure gain, leakage flow rate and flow gain) and dynamic (frequency response) valve characteristics. An experimental platform was setup to test the developed hybrid models performance in hardware-in-the-loop simulation experiments. The platform is composed by a hydraulic actuated manipulator with a set of sensors, by real time hardware and by a package of software tools for data acquisition and control. Very satisfactory results, from a set of HILS experiments performed in different real time kernels were obtained for the semi-empirical models proposed.