Estudo sobre a utilização de laboratórios remotos em cursos de Engenharia

Transcrição

1 JAN. FEV. MAR ANO XIV, Nº INTEGRAÇÃO 51 Estudo sobre a utilização de laboratórios remotos em cursos de Engenharia ALEXANDRE BRINCALEPE CAMPO* Resumo Este artigo descreve aplicações de laboratórios remotos disponíveis na Internet para a realização de experimentos na área de Engenharia Elétrica com ênfase em controle. A possibilidade de realizar experimentos remotamente viabiliza uma nova estratégia de estudos nessa área, dado que os protótipos utilizados para a aplicação de controladores são de alto custo, impossibilitando que muitos dispositivos fiquem disponíveis para os alunos em um laboratório. Será descrita uma planta piloto, que permitirá a implementação do primeiro laboratório remoto que será implantado. Ao final do artigo são apresentados requisitos técnicos do projeto que deverá ser elaborado para a operação remota do sistema. Palavras-chave Controle digital. Controle de aplicações. Laboratório remoto Title Studies on the Use of Remote Laboratories in Engineering Courses Abstract This article describes the application of remote laboratories available on the Internet for experiments in Electrical Engineering with an emphasis on controlling. The possibility of remote experiments allows a new strategy in studies in this area, since prototypes employed for the application of controllers are very expensive, which does not allow the availability of a lot of devices for students at a laboratory. We shall describe a pilot-plant that will make possible the use of the first remote laboratory to be employed. At the end of our article we present the technical requirements for the project to be defined for the remote operation of the system. Keywords Digital control. Application control. Remote laboratory. 1. introdução A teoria de controle de sistemas dinâmicos caracteriza-se pela grande abrangência de áreas a que se aplica. A bibliografia descreve aplicações na área de controle de processos (vazão, nível, pressão e temperatura), conforme descrito em Freitas e colaboradores (2004) e Jabuonski e colaboradores (2003), controle de sistemas mecânicos (braços robóticos, sistemas de pêndulo invertido, sistema de equilíbrio bola-haste), sistemas eletromecânicos baseados em máquinas elétricas, sistemas eletroeletrônicos (Campo & Pait, 2001; Campo, 2005; Fjeldly & Shur, 2003) e uma grande diversidade de outros exemplos. No entanto, os sistemas que permitem o estudo de controladores e compensadores, em geral, são de alto custo, e cada módulo admite apenas um Data de recebimento: 20/12/2006. Data de aceitação: 16/02/2007. * Professor da USJT. prof.brincalepe@usjt.br. usuário ou um pequeno grupo de usuários executando um determinado experimento num dado instante. Dada a escassez de recursos, qualquer esforço para maximizar a utilização dos equipamentos disponíveis possibilita uma melhora no aproveitamento do curso pelos alunos. Considerando a definição do problema, pretende-se desenvolver uma especificação que possibilite a implementação de um laboratório virtual para diversos tipos de plantas que estão disponíveis na Universidade São Judas Tadeu. O projeto piloto está se desenvolvendo em uma pesquisa que envolve um sistema denominado Aeroestabilizador, conforme descrito em Clemente e colaboradores (2003) e Gonçalves e colaboradores (2004). A planta foi desenvolvida em um Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) de alunos de Engenharia Elétrica, com ênfase em eletrônica, da própria Universidade. Neste artigo a planta é descrita, e as especificações desejadas para o laboratório remoto virtual em desenvolvimento serão apresentadas. As especificações de requisitos do sistema de operação a distância serão apresentadas tomando

2 52 INTEGRAÇÃO CAMPO Laboratórios remotos como referência o artigo apresentado por Cassini e colaboradores (2003). 2. descrição de um laboratório remoto Os laboratórios remotos devem ter um conjunto de características que permitam o aproveitamento de todas as funções disponíveis na planta. Os alunos e professores devem ter acesso a dados que possibilitarão a melhor utilização dos recursos disponíveis. A seguir, serão apresentadas características que compõem o laboratório remoto analisado no trabalho de referência desenvolvido em Cassini e colaboradores (2003). 2.1 análise de um laboratório remoto No referido trabalho é apresentado o laboratório remoto desenvolvido pelo grupo de pesquisas da Universidade e são disponibilizados 7 experimentos que podem ser remotamente controlados: 1 Sistema de controle de posição de um motor DC; 2 Sistema de controle de velocidade de um motor DC; 3 Controle de vazão de líquidos; 4 Controle de nível de líquidos; 5 Sistema de levitação magnética; 6 Sistema de controle do protótipo de um helicóptero; 7 Controle de um robô construído com peças do conjunto Lego Mindstorms. Cada um dos experimentos pode ser acessado por meio de uma página principal, em que são dadas indicações sobre a disponibilidade dos equipamentos para uso num determinado momento. Qualquer usuário pode acessar as plantas, desde que faça um cadastro em que insere seu e o país de origem. Todos os protótipos estão descritos em arquivos que podem ser acessados pelo usuário previamente à realização do experimento. Esta característica possibilita o prévio desenvolvimento do projeto do controlador apoiado em modelos construídos com base nas informações fornecidas. Antes da execução do experimento é necessária a escolha do controlador que será utilizado, podendo ser algum previamente estipulado e préajustado, tal como um PID, por exemplo, ou pode-se utilizar um controlador qualquer, estipulado pelo usuário. Figura 1. Página principal do módulo de controle de posição do Laboratório Remoto. O programa utilizado para controlar o sistema foi escrito em linguagem MATLAB, e os projetos devem ser feitos por meio da utilização dessa ferramenta. Durante a execução do experimento é possível visualizar a planta, conforme apresentado na Figura 2, por meio de uma imagem enviada por uma câmera colocada no local em que se encontra o experimento. Pode-se ainda determinar o tipo de sinal que será aplicado como Set-Point do sistema, e gráficos podem indicar a evolução dos sinais das variáveis de saída do controlador e da variável controlada. Na Figura 2 pode-se visualizar a tela do computador durante a execução de um experimento de controle em malha fechada por meio da utilização de um controlador PID. No canto superior esquerdo da figura pode-se ver a janela que apresenta o parâmetro proporcional do controlador PID. Todos os parâmetros podem ser alterados durante a execução

3 JAN. FEV. MAR ANO XIV, Nº INTEGRAÇÃO 53 do procedimento experimental. No canto inferior direito da mesma figura é apresentada a janela com a evolução da variável posição do eixo do motor de corrente contínua. No caso, está sendo aplicado um sinal rampa com inclinação 10 na entrada Set- Point. Nota-se que o tipo de sinal aplicado na entrada pode ser alterado durante o experimento para diversos formatos: Degrau Controle manual Rampa com inclinação controlada Sinal senoidal com amplitude e freqüência controladas. Pode-se ainda observar o sinal de saída do controlador, que deverá ser aplicado ao atuador do sistema. A execução do experimento deve ser concluída num intervalo de tempo pré-determinado de 5 minutos, e ao final desse prazo os dados coletados podem ser obtidos através de um procedimento de download das informações. medição de desempenho do controlador testado, é criada uma classificação dos projetos participantes, possibilitando uma interação dos usuários do sistema e maior motivação para o desenvolvimento de projetos. Na Figura 3 é apresentada uma listagem dos melhores projetos testados para o controle do sistema de levitação magnética. Observando-se essa figura, percebe-se que na implementação do controlador de um sistema de levitação magnética de uma esfera os melhores resultados foram obtidos com controladores do tipo Avanço-Atraso, sendo seguidos pelo controlador PID tradicional. 2.2 descrição da planta aeroestabilizador O primeiro sistema que se pretende disponibilizar na Internet para uso dos alunos do curso de graduação é denominado Aeroestabilizador. A Figura 4 representa uma vista lateral do sistema, que possui dois graus de liberdade: azimute (θ) e rotação (γ), controlados por um conjunto de motores de corrente contínua acoplados a hélices. Estes motores CC deverão gerar as forças necessárias para a movimentação do sistema em seus dois graus de liberdade. O sistema construído consiste basicamente em um conjunto de duas hastes sustentadas por um Figura 2. Tela apresentada durante a execução do experimento de controle de posição. Uma característica implementada no referido laboratório remoto envolve a possibilidade de realizar uma competição entre alunos de um curso para a elaboração de um projeto de um controlador que atenda a determinadas especificações definidas previamente. Dados um tempo de amortecimento especificado, um sobre-sinal e um índice de Figura 3. Competição entre alunos para a elaboração do projeto de um controlador de levitação magnética.

4 54 INTEGRAÇÃO CAMPO Laboratórios remotos tripé de tal forma que possibilite o movimento de elevação (azimute) de uma das extremidades por meio do controle da velocidade do conjunto de duas hélices verticais (Clemente et al., 2003; Freitas et al., 2004). Nota-se que é apresentada uma animação com a vista superior e a vista lateral do conjunto, o que viabilizará uma implementação do laboratório remoto, mesmo sem a adição de uma câmera ao sistema. 3. especificações de um laboratório remoto Figura 4. Esquema do Aeroestabilizador. Na outra extremidade da haste foi colocado um contrapeso, para minimizar as forças necessárias ao controle de elevação e um sensor de ultra-som, para a medição da variável altura (H, medida na variável ângulo θ). Para o grau de liberdade de rotação do sistema (ângulo γ), duas hélices laterais, construídas na mesma extremidade em que se encontram as hélices para controle de elevação, giram em sentidos contrários, e a diferença de velocidade entre estas causa uma força de propulsão para o sistema. A determinação da posição da haste é feita com base na medição de uma tensão sobre um potenciômetro multivoltas posto na haste vertical que sustenta o sistema. O sistema é ligado a circuitos de potência que alimentam os motores por meio de escovas construídas na base da haste móvel, possibilitando que a movimentação da haste seja livre, em torno do ponto de apoio. O algoritmo de controle deverá ser executado por meio do programa LabVIEW 8.20 em um computador pessoal (Figura 5). A figura que representa o esquema de ligação do computador ao sistema de controle pode ser visualizada na Figura 6. O algoritmo de controle do sistema já foi implementado e testado, no entanto, ainda não foram adicionadas as características que permitirão sua adição à Internet, para manipulação a distância. A janela que representa o programa atualmente em uso está representada na Figura 7. Dadas a descrição do laboratório remoto desenvolvido por Cassini e colaboradores (2003) e a planta disponível para a implementação do laboratório remoto na Universidade São Judas Tadeu, foram criadas diretrizes para a elaboração do projeto do laboratório remoto que será implementado. 3.1 Especificação de um laboratório remoto A planta descrita no item anterior foi escolhida por proporcionar o estudo de diversos tópicos da teoria de controle (Levine, 1996; Ogata, 1993), tais como: Modelagem de sistemas físicos Linearização de sistemas Diagramas de blocos de sistemas SISO ( Single Input Single Output ) e MIMO ( Multiple Input Multiple Output ) Análise de sistemas de primeira ordem Análise de sistemas de segunda ordem Estabilidade de sistemas Método do Lugar das Raízes (LR) Projeto de compensadores pelo LR Figura 5. Foto do sistema Aeroestabilizador.

5 JAN. FEV. MAR ANO XIV, Nº INTEGRAÇÃO 55 O acesso ao laboratório poderá ser aberto para usuários externos. Para visitantes devem ser fornecidas senhas, não associadas com números de prontuários. Visitantes também necessitam de um relatório prévio para utilizar a planta. Figura 6. Computador nas malhas de controle. Para cada um desses casos será preciso desenvolver uma aplicação específica, de modo que possibilite ao usuário a alteração de parâmetros de seu controle e a posterior coleta de dados após a execução do procedimento experimental O programa supervisório O programa que supervisionará a operação e que permitirá sua conexão à Internet ficará instalado em um dispositivo eletrônico equivalente a um computador pessoal, mas que executa um sistema operacional específico para aplicações em tempo real. Diversos trabalhos descrevem experiências de sucesso na implementação de laboratórios virtuais. Alguns exemplos desses trabalhos são os de Cassini e colaboradores, 2003; Fjeldly e Shur, 2003; Jabuonski e colaboradores, 2003; Kartias & Gati, A operação do sistema deverá permitir uma série de características, de acordo com a determinação do professor responsável pela disciplina de laboratório. Entre estas características, podem-se destacar: a) Registro para identificação do aluno (login) A identificação do aluno pode ser seu próprio registro escolar. A senha poderia ser definida pelo próprio aluno. Dessa forma haveria a possibilidade de integrar o banco de dados do Weblab com o banco de dados já existente na escola. b) Relatório prévio Necessidade de relatório prévio para evitar testes por tentativa e erro. Após aprovação de relatório, o grupo de alunos relacionado à identificação inicial fica autorizado a realizar a experiência. O código do aluno precisa estar autorizado para realizar experiências. Caso não esteja, uma mensagem de necessidade de relatório prévio será exibida. O relatório prévio deverá obedecer a um formato que será disponibilizado na Internet. Os relatórios prévios devem ser aprovados por professores responsáveis ou pessoas ligadas ao laboratório. c) Controle do tempo do experimento As experiências devem ter um tempo máximo de execução. O tempo máximo de execução de uma experiência deve ser definido pelo professor conforme o caso. Figura 7. Painel de Controle do Aeroestabilizador.

6 56 INTEGRAÇÃO CAMPO Laboratórios remotos d) Acompanhamento da execução do experimento Enquanto a experiência é realizada deve ser possível o acompanhamento virtual por um monitor ou professor, para assistir e observar a realização do experimento. O professor ou monitor devem ter acesso a uma programa supervisório, de tal forma que se obtenha a relação de alunos que estejam on-line no momento. e) Suporte Central de dúvidas, fórum de perguntas entre alunos e envolvendo alunos e professores poderão fazer parte do sistema, mas não são parte fundamental deste. f) Coleta de dados do experimento Os dados obtidos após o experimento podem ser coletados após a realização deste. Uma cópia dos dados da experiência realizada será enviada ao do aluno cujo login realizou a experiência. g) Informações sobre a planta Na página principal do laboratório remoto deverão estar disponíveis todas as informações necessárias para a elaboração do projeto do controlador. As informações podem possibilitar a elaboração de um modelo do sistema ou simplesmente pode ser fornecido o próprio modelo não-linearizado. A listagem apresentada acima representa uma série de especificações que foram adotadas para a elaboração do sistema supervisório que possibilitará a realização de experimentos virtuais. 4. discussões e conclusões Os temas abordados num curso introdutório da teoria de controle clássico podem ser apresentados por meio de sistemas físicos que estejam disponíveis para acesso remoto. Neste trabalho foi estudado um laboratório remoto virtual disponível na Universidade de Pisa, na Itália. Em função da análise executada, foi apresentada uma relação de requisitos a que o sistema proposto para a Universidade São Judas Tadeu deverá obedecer. Muitos outros detalhes ainda estão em análise e pretende-se ter um projeto completamente definido ao longo do próximo ano. O sistema piloto foi descrito, tratando-se de um protótipo construído por alunos graduandos do curso de Engenharia Elétrica da Universidade. O protótipo já passou por uma primeira fase de desenvolvimento de um sistema de controle difuso utilizando o programa LabVIEW para a implementação do algoritmo. No sistema apresentado estão presentes diversas características que poderão ser aproveitadas para discutir conceitos sobre sistemas lineares, tais como: modelagem de sistemas físicos, projeto de controladores digitais utilizando métodos diversos, sintonia de controladores e outros. O sistema apresentado neste artigo foi premiado no segundo concurso de melhor aplicação acadêmica do programa LabVIEW, organizado pela empresa National Instruments. Finalmente pode-se concluir que o sistema projetado é adequado para a implementação de um laboratório virtual, e a especificação dos requisitos do programa supervisório do sistema possibilitará um melhor uso dos recursos atualmente disponíveis. Agradecimentos Gostaríamos de agradecer à Universidade São Judas Tadeu, pelo financiamento dado para a construção do protótipo do Aeroestabilizador e à empresa National Instruments pelo suporte dado ao longo do desenvolvimento do projeto com o programa LabVIEW Referências bibliográficas ALMGREN, R. C. & CAHOW, J. A. Evolving Technologies and Trends for Innovative Online Delivery of Engineering Curriculum. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. CAMPO, A. B. A utilização de protótipos para o desenvolvimento de conteúdos da teoria de controle. Proceedings of the GECETE Santos, Brasil, 2005.

7 JAN. FEV. MAR ANO XIV, Nº INTEGRAÇÃO 57 CAMPO, A. B. & PAIT, F. M. Propulsion Control in a Linear Electrodynamic Motor with Two Degrees of Freedom. Proceedings of the 2001 IEEE International Conference on Control Applications. Cidade do México, CASSINI, M.; PRATTICHIZZO, D. & VICINO, A. The Automatic Control Telelab: A User-Friendly Interfacefor Distance Learning. IEEE Transactions on Education, Vol. 46, nº 2, pp , maio de CLEMENTE, J. C.; BASSOLI, M.; SOUZA, M. X.; SOUZA, R. L. & FISCHER, C. Aeroestabilizador. Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica, dezembro de COOPER, M. Remote Laboratories in Teaching and Learning Issues Impinging on Widespread Adoption in Science and Engineering Education. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. FJELDLY, T. A. & SHUR, M. S. Lab on the Web: Running Real Electronics Experiments via the Internet. John Wiley & Sons, 2003, 256 p. (Cap. 1: Electronics Laboratory Experiments Accessible via Internet ). FJELDLY, T. A. et al. Automated Internet Measurement Laboratory (AIM-Lab) for Engineering Education. In: Annals do 29 th ASEE/IEEE Frontiers in Education Conference, 1999, San Juan (Porto Rico). San Juan, FERREIRA, J. M. M. & MUELLER, D. Online Labs and the Marvel Experience. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. FREITAS, A. A.; BAUCHSPIESS, A. & BORGES, G. A. Laboratório de ensino de automação remoto da UnB. In: Anais do Congresso Brasileiro de Ensino de Engenharia-Cobenge, 2004, Brasília. São Paulo: UnB/ Abenge, GONÇALVES, A.; CREMON, C.; MASSAROTO, I.; CARDONA, L. & PANSANI, M. Aeroestabilizador. Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica, outubro de GROUT, I. A. Local and Remote Laboratory User Experimentation Access Using Digital Programmable Logic. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. IMBRIE, P. K. & RAGHAVAN, S. Work in Progress A Remote E-Laboratory for Student Investigation, Manipulation and Learning. In: Annals da 35 th ASEE/ IEEE Frontiers in Education Conference, 2005, Indianapolis (EUA). Indianapolis, JABUONSKI, R. E. et al. Sistema de experimentação remota configurável de controle de nível de líquidos multivariável. In: Anais do IV Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 2003, Bauru. Bauru, JOHNSON, G. W. LabVIEW Graphical Programming: Practical Applications in Instrumentation and Control, 3ª ed. McGraw-Hill Professional, JUDSON, V. et al. ilab: A Scalable Architecture for Sharing Online Experiments. Cambridge (EUA): Massachusetts Institute of Technology, KARTYAS, G. & GATI, J. Model Based Distance Learning on the Internet. In: Annals da IEEE 3 rd International Conference on Computational Cybernetics, Mauritius, 2005, p LANGMANN, R. Web-Based Remote Control by LiveConnect. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. LEVINE, W. S. (ed.). The Control HandBook. EUA: CRC Press, MANN, H. Learning Dynamics and Control Using Remotely Tutored Simulation and Virtual Experiments. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 2, nº 2. Disponível em < Acessado em 28/5/2006. OGATA, K. Engenharia de controle moderno.trad. de A. F. Kohn & J. C. T. B. Moraes, 2ª ed. Rio de Janeiro: Prentice Hall do Brasil, PHILLIPS, C. L. & NAGLE, H. T. Digital Control System Analysis and Design, 3ª ed. Prentice Hall, PROJETO KYATERA. São Paulo, Fapesp. Disponível em < Acessado em 17/2/2006. PUPO, M. S. Interface homem-máquina para supervisão de um CLP em controle de processos através da WWW. Dissertação de Mestrado em Engenharia Elétrica. São Carlos (SP): EESC-USP. 2002, 83f. PROJETO icampus. Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT). Disponível em < icampus.mit.edu/tools/sitemap.shtml>. Acessado em 17/2/2006. RECH, E.; SILVA, D. C. B. & CAMPO, A. B. Análise de requisitos para um laboratório virtual. Trabalho de Iniciação Científica. Cefet/SP, SAFARIC, R. et al. Control and Robotics Remote Laboratory for Engineering Education. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. SALES, R. M. & CASTRUCCI, P. Controle digital. São Paulo: Edgard Blücher, SCAPOLLA, A. M. et al. A Modular and Extensible Remote Electronic Laboratory. ijoe International Journal of Online Engineering, Vol. 1, nº 1. Disponível em < Acessado em 20/3/2006. SOUZA, B.; CASTAGNARO, E. A.; NOVAIS, F. R.; GUILHERME, M. P. & CAMPO, A. B. Controlador de posição 3D (X, Y, Z). Trabalho de Graduação em Engenharia Elétrica, dezembro de VALERA, A. et al. Virtual and Remote Control Laboratory Development. IEEE Control Systems Magazine, fevereiro de 2005, pp VARELLA, W. A. & RAMIREZ-FERNANDEZ, F. J. Laboratório virtual utilizando sistema operacional aberto.

8 58 INTEGRAÇÃO CAMPO Laboratórios remotos Laboratório de Microeletrônica, EP-USP. Disponível em < Acessado em 17/2/2006. VIEDMA, G.; DANCY, I. J. & LUNDBERG, K. H. A Web- Based Linear-Systems ilab. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology. Cambridge (EUA): American Control Conference, WEBLAB criado pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), no endereço < icampus.mit.edu/tools/sitemap.shtml>. Acessado em 17/2/2006. WITAKER, J. C. (ed.). The Electronics HandBook. EUA: CRC Press, 1996.