PROJETO DIDÁTICO DE CONTROLE ANALÓGICO DE POSICIONAMENTO ANGULAR

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS DE CURITIBA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA ÊNFASE AUTOMAÇÃO DANILO JOSÉ MENDES PEDROSO TALES DELLANE DE ARAUJO PROJETO DIDÁTICO DE CONTROLE ANALÓGICO DE POSICIONAMENTO ANGULAR TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2013

2 DANILO JOSÉ MENDES PEDROSO TALES DELLANE DE ARAUJO PROJETO DIDÁTICO DE CONTROLE ANALÓGICO DE POSICIONAMENTO ANGULAR Proposta de Trabalho de Conclusão de Curso de Graduação, apresentado à disciplina de Metodologia Aplicada ao TCC, do curso de Engenharia Industrial Elétrica Ênfase em Automação do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Ismael Chiamenti CURITIBA 2013

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do Tema PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVOS Objetivo Geral Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 11

4 3 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA Nos últimos anos a evolução tecnológica está cada vez mais acelerada e competitiva, essa voraz disputa pelo mercado faz com que haja um forte investimento em avanços tecnológicos com o intuito de melhorar cada vez mais o controle do processo produtivo. É elementar que todo o tipo de investimento visa o lucro e cada vez mais sistemas de automação e de controle são implementados nas indústrias, pois apresentam uma série de vantagens, como aumento da segurança, maior rendimento do processo, diminuição do tempo ocioso, entre outras vantagens. Segundo Benjamin C. Kuo (1985), o sistema de controle mais sofisticado e complexo já existente está diante dos nossos olhos todos os dias, o ser humano. A capacidade do Homo sapiens é incrivelmente eficiente, sendo capaz de desenvolver uma variedade de tarefas, e na maioria das vezes simultaneamente. Nise (2002) acentua essa ideia exemplificando processos de controle que ocorrem no nosso organismo, como por exemplo, senão fosse pelo pâncreas, o controle do açúcar no sangue seria algo totalmente desequilibrado causando danos ao organismo. Outro exemplo apresentado por Nise (2002) que está presente no nosso cotidiano e de fácil compreensão é o movimento de nossas mãos em relação a algum objeto, quando pretendemos alterar tal objeto de lugar, nossas mãos o seguram e o inserem em um lugar predeterminado. A área de controle e automação é uma das responsáveis direta pelos avanços tecnológicos que vivenciamos todos os dias, sendo utilizado no funcionamento de uma simples torradeira até a complexidade existente no lançamento de veículos espaciais, e foi na área espacial que o ramo de controle ganhou e vem ganhando notoriedade cada vez mais. Para Ogata (1998), o desempenho do controle automático vem exercendo uma função essencial no avanço da engenharia e ciência, sendo utilizado desde processos industriais de manufatura até guiamento de mísseis de longo alcance. A área industrial é outra beneficiada com o desenvolvimento do ramo de controle. Ogata (1998) e Nise (2002) exemplificam isso citando processos que utilizam controle e automação, como por exemplo, sistemas robóticos, sistemas que

5 4 usinam peças metálicas automaticamente, controle de pressão, temperatura, umidade, viscosidade e vazão nas indústrias de processo. Para Nise (2002), seria impossível deslocar grandes equipamentos com precisão sem utilizarmos sistemas de controle e também dificilmente entraríamos em lugares de difícil acesso e sem condições necessárias para a integridade física do ser humano sem utilizarmos tais sistemas. Ele exemplifica isso citando o projeto Rover, desenvolvido para trabalhar nas áreas contaminadas de ThreeMileIsland em Middleton, PA, lugar onde em 1979 ocorreu um desastre nuclear. Figura 1 Projeto Rover Fonte: NISE, Norman S., Engenharia de Sistemas de Controle. Segundo Nise (2002), a construção de um determinado sistema de controle se dá devido a quatro razões principais, segundo ele estas razões são:

6 5 Amplificação da potência; Controle remoto; Facilidade de uso da forma de entrada; Compensação de perturbações; Esta compensação de perturbações será um tema de significativa relevância no projeto a ser implementado. Segundo Nise (2002), um sistema, independente de perturbações exteriores, deve manter-se estável e apresentar um resultado preciso na saída. Ele exemplifica isso utilizando um sistema de posicionamento de uma antena. Imaginemos esse sistema em um dia com fortes ventos, tais ventos forçariam a antena a deslocar-se de sua posição inicial, ou se algum ruído consegue adentrar, interferindo no posicionamento da antena, um sistema de controle, nessa situação, deve ter a capacidade de identificar tal perturbação e automaticamente corrigir a posição da antena. Seria praticamente impossível concebermos a sociedade atual sem os avanços tecnológicos ocorridos na área industrial. Empresas sempre estão buscando minimizar o tempo de produção de cada produto, não deixando sua qualidade cair, ao contrário disso, estão buscando alternativas para que o controle da produção garanta a máxima qualidade com o intuito de satisfazer um consumidor cada vez mais exigente, sendo assim, é evidente que a demanda por profissionais desta área aumente de maneira significativa nas indústrias, sendo necessário que os mesmos sejam bem qualificados e dotados de conhecimentos suficientes para que possam identificar e resolver empecilhos encontrados no chão de fábrica. Analisando este crescimento rápido e continuo da área de controle e automação, é de fácil observação que os conhecimentos adquiridos em sala de aula são fatores de extrema importância para o futuro engenheiro se inserir e se manter no mercado de trabalho de forma a atender as exigências das quais é cobrado. Neste projeto serão discutidos e visualizados na prática temas abordados pelos graduandos que pertencem ao Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica (DAELT) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) na disciplina de Sistemas de Controle Delimitação do Tema Visando o melhor aprendizado dos graduandos de engenharia elétrica e engenharia de controle e automação da Universidade Tecnológica Federal do

7 6 Paraná (UTFPR) em uma área de suma importância, que é o controle analógico, o presente trabalho visa elaborar um projeto que apresenta fins didáticos e desta forma possa auxiliar os alunos a complementar sua formação. A proposta deste trabalho enfatiza a criação de um sistema de controle analógico de posicionamento angular. Segundo Nise (2002), um sistema de controle de posição converte um comando de posição de entrada em uma resposta de posição de saída. Aliado ao sistema físico, para facilitar a absorção de conhecimento por parte do discente também será criado um material didático que apresente de maneira clara e objetiva o funcionamento do sistema junto com suas especificações técnicas, guias de manutenção e manuais de utilização. O projeto desenvolvido visa abordar na teoria e principalmente na prática os diversos temas abordados na ementa da disciplina de Sistemas de Controle 1, entre eles estão sistemas em malha fechada, desenvolvimento de diagrama de blocos através de modelos matemáticos e suas técnicas de simplificação, funções de transferência, características da resposta dos sistemas lineares e invariantes no tempo e caracterização do erro de estado estacionário para sistema em malha fechada. 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS Com o constante avanço tecnológico, o controle automático vem se tornando um instrumento de significativa importância para o avanço da engenharia e da ciência. Cada vez mais, as indústrias procuram no mercado de trabalho, profissionais capacitados para operarem ferramentas tecnológicas atualizadas. As instituições de ensino superior tecnológico, pensando nisso, vem adequando seus laboratórios para tornarem-se mais semelhantes possíveis com o que os futuros profissionais irão encontrar no mercado de trabalho. Porém, há um grande desafio a ser enfrentado, a rapidez com que o avanço tecnológico acontece. Por mais avançadas tecnologicamente que sejam essas instituições, elas não conseguem acompanhar o ritmo imposto pela tecnologia encontrada nas indústrias, isto se deve muitas vezes ao alto custo para montar um laboratório com ferramentas tecnológicas atualizadas. Devido a isso, muitas vezes, o profissional recém-formado deixa a universidade sem uma preparação adequada para entrar no mercado de trabalho.

8 7 O projeto supracitado terá como função ser um forte aliado do discente na absorção de conhecimento na área de controle. Desta maneira, podemos também estimular os alunos a participarem de uma maneira mais intensa das aulas práticas, e até mesmo incentivar alunos de outras áreas da engenharia a cursarem a disciplina como enriquecimento curricular. 1.3 OBJETIVOS Objetivo Geral Desenvolver um projeto didático que auxilie a formação dos alunos que venham a cursar a disciplina de Sistemas de Controle 1. Tal projeto visa à interação dos graduandos com um material físico, o que poderia estimular os acadêmicos no estudo e auxiliar os docentes da já citada matéria curricular Objetivos Específicos 1) Elaboração de um sistema de controle de posição angular; 2) Estruturar o projeto físico de forma que seja o mais dinâmico e didático possível; 3) Dimensionar componentes para o uso no projeto físico; 4) Trabalhar com funções matemáticas para se obter o modelo do sistema; 5) Elaborar estudos do comportamento do controle através de software específico (MATLAB); 6) Criação de material didático que interaja com o projeto físico (especificações técnicas, manuais e guias de manutenção); 1.4 JUSTIFICATIVA Conforme visto a automação industrial vem se desenvolvendo rapidamente, e obviamente a demanda por profissionais capacitados nesta área cresce a cada dia. A importância do estudo é fundamental para o desenvolvimento de um profissional capacitado, e os graduandos devem sempre ter isto em vista e estarem atentos aos conteúdos exigidos pela universidade, pois todos apresentam grande importância e a compreensão do maior número de matérias possíveis pode fazer a diferença no mercado de trabalho. Às vezes pequenos experimentos, a didática do professor, elementos visuais, entre outras coisas, estimulam o acadêmico a estudar

9 8 e desta forma ele certamente se tornará um profissional mais qualificado para o mercado de trabalho ao sair da universidade. É evidente que abranger todas as matérias e estimular o aluno a estudar é algo muito difícil de fazer, se não impossível, e o trabalho proposto terá seu foco na matéria de Sistemas de Controle 1, mais precisamente no estudo de alguns elementos da ementa da mesma, e esses podem ser visualizados no ultimo parágrafo da delimitação do tema. O presente trabalho irá se utilizar de elementos físicos e complementações teóricas objetivas para obter-se uma didática e um dinamismo com os acadêmicos que por ventura tenham contato com o projeto, de forma que os mesmos possam a ter mais interesse no estudo da matéria e se possível fixar melhor a mesma. Sendo esta uma matéria de grande importância para os acadêmicos do Departamento Acadêmico de Engenharia Elétrica (DAELT) da UTFPR, o entendimento da mesma se torna um importante requisito para a formação de um profissional de excelente qualidade. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS A primeira fase visa o aprimoramento dos conhecimentos dos presentes acadêmicos, através da revisão bibliográfica, dos inúmeros conteúdos que fazem parte da ementa da matéria de Sistemas de Controle 1 e demais disciplinas relacionadas com o desenvolvimento da proposta. Na segunda fase do trabalho devem ser estabelecidos os requisitos necessários para o sistema operar corretamente, sempre tomando cuidado para que esses requisitos não sejam conflitantes (de forma que o projeto não possa ser atendido). Requisitos tais como peso, dimensões físicas, material a ser utilizado, devem ser estabelecidos. Segundo Nise (2002), há seis etapas para que um projeto de controle seja desenvolvido. O primeiro passo a ser tomado para a realização do projeto é transformar os requisitos em um sistema físico de forma a determinar as especificações do projeto tais como a resposta transitória desejada e a exatidão de estado estacionário. No segundo passo é necessário desenhar um diagrama de blocos funcional, o qual vai descrever as partes componentes do sistema (função e/ou hardware) assim como mostrar suas interconexões, isto permite que o sistema seja visualizado de forma mais detalhada. Feito isso o terceiro passo é a criação em um diagrama esquemático a partir do projeto físico, e este deve ser usado para se

10 9 obter um modelo matemático que possa ser usado na próxima etapa (alguns fenômenos devem ser ignorados de forma que a expressão matemática não se torne muito complexa e mais susceptível a erros), nesta fase são feitas os cálculos, com a ajuda de software, para verificar as suposições feitas anteriormente sobre o sistema físico. Como já dito o passo quatro é o desenvolvimento do modelo matemático, podendo este ser de três tipos: Através de equações diferenciais; Através da Transformada de Laplace; e através do espaço estado. Depois que o modelo matemático de cada parte do sistema foi encontrado é necessário que se reduza o diagrama de blocos, de forma a ficar com apenas um bloco que relacione a entrada com a saída do sistema, sendo esse o passo cinco. Por fim o ultimo passo é analisar se as especificações de resposta e os requisitos de desempenho foram alcançados e projetar o sistema final. Por fim, a terceira e ultima fase do trabalho se dará através de análises de discussões dos resultados obtidos, além da elaboração de um manual para que haja um melhor entendimento da matéria pelos graduandos e a operação do sistema possa ser realizada sem problemas pelos professores e por possíveis alunos que terão contato com o projeto aqui desenvolvido. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO O desenvolvimento do seguinte trabalho está previsto da seguinte maneira: Capítulo 1 Introdução, Apresentação do Tema, Premissas, Objetivos Principais; Capítulo 2 Fundamentação Teórica, Controle Analógico, Função de Transferência, Controle PID, Respostas de Sistemas LIT; Capítulo 3 Metodologia, Modelo Matemático, Projeto Prático, Procedimentos de Análise, Elaboração de Material Didático; Capítulo 4 Resultados e Discussões, Resultados do Projeto: Modelo e Prático, Aspectos Pedagógicos; Capítulo 5 Conclusões;

11 1.7 CRONOGRAMA 10

12 REFERÊNCIAS NISE, Norman S., Engenharia de Sistemas de Controle, 3ª ed. Rio de Janeiro: Ed. LTC, OGATA, Katsuhiko, Engenharia de Controle Moderno, 3ª ed. Rio de Janeiro: Ed. LTC, KUO, Benjamin C., Sistemas de Controle Moderno, 4ª ed. Rio de Janeiro: Ed. Prentice Hall do Brasil, SILVA, E. L. D.; MENEZES, E. M. Metodologia da Pesquisa e Elaboração de Dissertação. 4. ed. Florianópolis: [s.n.], Disponível em: < Acesso em 29 abr KOCH, Carlos E.; MORAES, Germano F., Bancada Didática para Estudo de Controle de Processos Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). Engenharia Industrial Elétrica com Ênfase em Eletrotécnica Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, BRITICI, Tiago de S., BEHRENS, Tiago E., CIESLAK, Willian J., Planta Didática para Automação e Controle de Processos Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação). Tecnologia em Eletrônica Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2004.