RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO. a fevereiro / Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho):

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ PRÓ-REITORIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO DIRETORIA DE PESQUISA PROGRAMA INSTITUCIONAL DE BOLSAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA PIBIC: CNPq, CNPq/AF, UFPA, UFPA/AF, PIBIC/INTERIOR, PRODOUTOR, PIBIT E FAPESPA RELATÓRIO TÉCNICO - CIENTÍFICO Período: agosto_ / 2016 ( x ) PARCIAL ( ) FINAL a fevereiro / 2017 IDENTIFICAÇÃO DO PROJETO Título do Projeto de Pesquisa (ao qual está vinculado o Plano de Trabalho): Desenvolvimento de protótipos didáticos para ensino e pesquisa Nome do Orientador: Orlando Fonseca Silva Titulação do Orientador: Doutor. Faculdade de Engenharia Elétrica e Biomédica Instituto/Núcleo: Instituto de Tecnologia Laboratório: Laboratório de Engenharia Elétrica, LACOS Ensino, sala 20 Título do Plano de Trabalho: Desenvolvimento de protótipo didático para ensino e pesquisa: Sistema Fan Plate. Nome do Bolsista: Marcos Paulo Rodrigues Cabral Tipo de Bolsa : ( ) PIBIC/ CNPq ( ) PIBIC/CNPq AF ( ) PIBIC /CNPq- Cota do pesquisador (X) PIBIC/UFPA ( ) PIBIC/UFPA AF ( ) PIBIC/ INTERIOR ( ) PIBIC/PRODOUTOR ( ) PIBIC/PE-INTERDISCIPLINAR ( ) PIBIC/FAPESPA ( ) PIBIC/PIBIT 1

2 Atenção: No relatório aborde diretamente os pontos essenciais, a partir dos quais será avaliado o desenvolvimento do projeto. O relatório não deverá ultrapassar 10 MB ou conter mais de vinte (20) páginas. INTRODUÇÃO Quando se fala em sistemas controlados não é difícil imaginar robôs que desenvolvem atividades complexas, ou lançamento de foguetes, mísseis teleguiados entre outras coisas, e muitas vezes é esquecido que os sistemas controlados também estão presentes na indústria e inclusive vem ocupando cada vez mais o ambiente doméstico (OGATA, 2000). Eletrodomésticos como máquina de lavar roupas, uma cafeteira, o simples abrir e fechar de um portão de garagem acionado por controle remoto, lâmpadas que ligam e desligam com a presença de movimento, são exemplos simples que deixam claro que sistemas de controle permeiam o cotidiano e já são vistos com grande naturalidade pela população em geral. Assim, não é difícil perceber que a tendência atual é que se busque cada vez mais sistemas controlados e automatizados pois, de maneira mais abrangente, são mais eficientes e eficazes, reduzindo erros e poupando gastos, de modo que, em parte, são grandes responsáveis pela melhoria da qualidade de vida da população, e avanços significativos na área tecnológica e científica (OGATA, 2000). O projeto e implementação de sistemas de controle não é algo tão trivial, e muita das vezes faz-se uso da tentativa e erro para obter um método mais adequado para a planta que se pretende controlar (COELHO, et al., 2004). Uma vez diante do sistema, o primeiro passo é a identificação de seu modelo matemático (obtenção dos parâmetros de uma função de transferência ou da equação de estado que o represente), isso pode ser feito através de diversas técnicas, onde as mais clássicas envolvem a análise da resposta do sistema à entrada de uma função degrau unitário, método simples, porém com restrições dependendo da ordem do sistema, sendo assim, para sistemas mais complexos outras técnicas são mais indicadas, e uma das mais utilizadas e que será abordada neste trabalho é a identificação pelo Método dos Mínimos Quadrados. Em projetos de controladores digitais, além da obtenção do modelo da planta em tempo contínuo deve-se discretizá-lo para projetar um controlador digital diretamente no plano Z, o que implica na especificação de um período de amostragem adequado, para então aplicar-se técnicas de projetos de controladores já estabelecidas na literatura tais como RST por alocação de polo via modelo de entrada e saída, controle por variância mínima, controle fuzzy e outros. 2

3 JUSTIFICATIVA: Sistemas de Controle é uma importante área da Engenharia Elétrica, e por envolver outras áreas como Matemática, Física, Eletrônica e Mecânica, por exemplo, a compreensão de seus conceitos e aplicação das técnicas desenvolvidas, se não acompanhadas de sistemas de simulação focados no ensino e a utilização de plantas reais para testes, fica muito mais difícil de ser compreendida. Portanto, esse projeto busca criar uma ferramenta para ser usada principalmente no ensino de Sistemas de Controle, contribuindo para formação acadêmica de futuros engenheiros. O sistema Fan Plate (um sistema de controle de deflexão angular de uma placa por meio de um canhão de vento) já é conhecido na literatura e, por se tratar de um modelo essencialmente não linear e com atraso, é riquíssimo para o estudo de diversificados métodos de projetos de controladores, além disso, esse projeto em específico se diferencia por tentar desenvolver uma versão de baixo custo e portátil o que facilitaria sua locomoção para salas de aula de graduação, apresentações em congressos, feiras de ciências e em escolas de ensino fundamental e médio para divulgação científica. 3

4 OBJETIVOS: Construção de um protótipo do tipo Fan Plate com materiais de baixo custo: esta etapa do projeto está em andamento, tanto o desenvolvimento do modelo teórico matemático quanto o a estrutura física. Uso do software livre Scilab: estudos estão sendo realizados em relação ao software Scilab como ferramentas de simulação e sistemas de aquisição de dados. Uso da plataforma Arduino: experimentos testes para o conhecimento e ambientação da plataforma e da linguagem de programação do Arduino foram realizados; Identificação de modelos matemáticos de sistemas e projetos de controladores: o levantamento teórico de metodologias de aquisição de dados e levantamento de modelos matemáticos, bem como de técnicas de controle ainda estão em curso; Implantar o sistema de controle na planta real: esta etapa do projeto ainda não foi alcançada. Utilizar o protótipo em aulas e feiras de ciências: esta etapa ainda não foi alcançada. 4

5 MATERIAIS E MÉTODOS: Busca-se desenvolver um projeto focado em materiais de baixo custo, fazendo uso de sucatas como mouse antigos, motores DC retirados de computadores inutilizados, e componentes eletrônicos baratos e fácil de serem encontrados em qualquer loja de eletrônica. Contudo, a parte de implementação do controlador e aquisição de dados será feita usando a plataforma Arduino, em comunicação com o software livre Scilab. Este software será a principal ferramenta para a simulação e testes dos controladores projetados. Com relação a metodologia, basicamente o trabalho foi dividido em quatro partes: 1ª- Levantamento teórico: pesquisa e estudos de técnicas clássicas de controle para sistemas com atraso tais como controladores P, PI e PID e técnicas avançadas como projeto de controladores RST, variância mínima, entre outras. Levantamento bibliográfico com base em TCC s e artigos publicados referente ao sistema fan plate. 2ª- Elaboração e confecção da parte física do projeto: testes com motores DC, confecção da base de sustentação e suporte da placa 3ª- Identificação do modelo matemático da planta fazendo uso do método dos mínimos quadrados. Projeto e simulação dos controladores usando as técnicas mencionadas na primeira parte, e comparar os resultados para averiguação da técnica que melhor se enquadre no modelo de planta levantada. 4ª- Implementação dos modelos obtidos via simulação na planta real, e análise e comparação dos modelos teóricos ante aos resultados obtidos no sistema real. RESULTADOS: Arduino: É um microcontrolador de placa única em que é possível programa-lo via software próprio. É um tipo de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software (MCROBERT, 2011). Existem vários tipos de Arduino como o Uno, Mega, Nano, Leonardo, entre outros, o que diferencia um do outro, basicamente, é o número de portas analógicas e digitais, o tipo de microprocessador utilizado, entrada de alimentação e sistema de comunicação computador / Arduino, entre outros fatores. A maior vantagem desse microcontrolador é a sua maior facilidade de ser utilizado, com uma linguagem de programação simplificada quando comparados com outros microcontroladores. O modelo que está sendo usado nesse projeto é o Arduino Mega, que possui o microprocessador ATMega 2560 e 54 portas digitais onde 15 podem ser usadas como PWM, e 5

6 mais 15 portas analógicas, clock de 16 Mhz, e conexão USB. O IDE é o ambiente de edição de programação do Arduino, nele podem ser digitados os códigos que posteriormente são carregados no microcontrolador, e a linguagem de programação utilizada é própria do Arduino, porém baseada na linguagem C (MCROBERT, 2011). Vários experimentos com o ATMega foram realizados para o entendimento básico da linguagem de programação usada em sua IDE como controles de LED s, aquisição de dados utilizando sensores de luz como o LDR, e também o circuito de controle de um motor DC que será usado no controle do motor gerador de vento desse projeto. A Figura 1 mostra, à esquerda, o código desenvolvido no IDE para o controle simples de um motor DC de 12 V, e, à direita, o circuito elétrico montado. Para esse experimento foi usado o Arduino Mega, um motor DC de 12V, uma fonte de tensão de até 12V, um transistor TIP 120 e um diodo, além de alguns conectores e uma protoboard. A programação faz com que um sinal PWM, com médias que variam de acordo com uma função seno, seja enviado de uma porta digital do Arduino à base do transistor controlando, dessa forma, a corrente elétrica que alimenta o motor DC e consequentemente variando a sua velocidade. Figura 1 :Lado esquerdo é o ambiente IDE do Arduino contendo as linhas de comando para controlar o motor DC, e ao lado direito é o circuito montado. Scilab: É um software livre desenvolvido para servir como ferramenta na solução de problemas numéricos. Além disso é um ambiente poderoso de simulação e geração de gráficos 2D e 3D. Sua escolha como principal mecanismo de simulação e aquisição de dados para esse trabalho foi justamente pelo fato de ser um software livre, gratuito e de fácil acesso. O ambiente de trabalho do Scilab, chamado Workspace (Figura 2), é subdivido em quatro partes: o Navegador de arquivos, onde é possível navegar entre as pastas do computador e acessar arquivos previamente salvos; o Navegador de variáveis, espaço onde é mostrado 6

7 todas as variáveis que foram criadas e apresentando nome, tipo e visibilidade; o Console, que é o ambiente de interação do usuário com o software, ou seja, ambiente de entrada de comandos por linhas de comando e visualização dos resultado; e o Histórico de comandos, nele é possível visualizar todos os comandos que foram executados desde o momento que o Scilab foi inicializado. A Figura 2 mostra o workspace do Scilab: na parte esquerda tem-se o navegador de arquivos, no meio o console, no lado direito, na parte superior, o navegador de variáveis e no lado direito, na parte inferior, o histórico de comandos. Figura 2: Ambiente Workspace do Scilab. No console é possível desenvolver programas simples, mas caso se deseje desenvolver programas mais complexos e mais extensos, é interessante salvá-los em arquivos de script, para tanto, basta clicar na barra de ferramentas do Scilab em Aplicativos>>SciNotes para abrir a janela apresentada na Figura 3. Nesse ambiente é possível criar programas por linhas de comando, editá-los e salvá-los para uso posterior. Figura 3: Ambiente SciNotes do Scilab para edição de scripts. Uma ferramenta do Scilab que é muito útil para simulação de sistemas é o ambiente xcos em que ao invés de se utilizar linhas de comandos, a programação é feita fazendo uso de 7

8 diagramas de blocos. Para acessá-la basta digitar xcos no ambiente console e pressionar a tecla enter. Com esse comando as duas janelas apresentadas na Figura 4 serão iniciadas: navegador de pastas, ao lado esquerdo, nele são mostrados os variados tipos de blocos que podem ser usados em diferentes aplicações; no lado direito o ambiente de programação. Figura 4: Ambiente xcos. Lado esquerdo o navegador de pastas, e lado direito ambiente de simulação. Outro ponto interessante é que o Scilab possui uma Sketch que permite a comunicação com o Arduino através do xcos, possibilitando que a aquisição dos dados seja visualizada por meio de gráficos em tempo real. Alguns testes foram realizados visando o entendimento do processo de aquisição de dados do Arduino por meio dessa ferramenta. A Figura 5 mostra testes de aquisição de dados de um circuito simples com LDR (resistor que varia a tensão em seus terminais quando a luminosidade que incide sobre ele varia). Figura 5: Sistema de análise em tempo real da aquisição de dados do Arduino usando a toolbox xcos do Scilab. Sensor de ângulo: Existem diversas técnicas para medição de ângulos, na pesquisa realizada, foram encontrados dois tipos que se enquadram melhor ao projeto fan plate: no 8

9 primeiro, já testado, foi usado um potenciômetro de precisão fixo, com o botão de torque fixado ao eixo de rotação da placa, contudo, esse sistema foi logo descartado pois gerava um atrito muito grande o que dificultava o movimento da placa; já o segundo, ainda em fase de testes, utilizará componentes ópticos para evitar qualquer ação que dificulte o movimento de rotação da placa. Os principais componentes eletrônicos, LED s e sensores infravermelhos, foram retirados de um mouse antigo (Figura 6). Figura 6: Visão interna de um mouse antigo, onde é possível ver os LED s e os sensores infravermelhos. Fonte: O sistema será formado basicamente por um círculo transparente com faixas escuras impressas e igualmente espaçadas, que vai girar juntamente com eixo de rotação da placa, e um sistema com dois pares de fotodiodo/fototransistor fixos (Figura 7), posicionados com defasagem de 90 um em relação ao outro. Figura 7: Esquema de projeto físico do sensor angular óptico. (EIKAWA, et al., 1997) O fotodiodo recebe um sinal de tensão que o faz emitir luz infravermelha de forma intermitente, contudo, o fototransistor (receptor) só vai receber o sinal luminoso quando esse passar por uma das regiões não pintadas do disco. Assim, um dos pares fotodiodo/fototransistor será utilizado para contar o número de vezes que o raio luminoso é interrompido, convertendo esse valor em graus, uma vez que é sabido o espaçamento angular entre as faixas escuras impressas no disco, no entanto, para poder detectar se o disco gira no sentido horário ou no sentido anti-horário, é necessário um outro par fotodiodo/fototransistor defasado aproximadamente de 90º do primeiro, assim, os sinais recebidos nos fototransistores são 9

10 semelhantes ao mostrados na Figura 8. Figura 8: Sinais detectados pelos fototransistors. (EIKAWA, et al., 1997) Motores DC testados: Alguns motores DC foram testados para utilização nesse projeto, contudo, dois deles foram selecionados para mais testes. Na Figura 9 têm-se os dois motores escolhidos: no lado esquerdo o cooler modelo AFB1212SHE com alimentação DC de 12V e corrente de 1.6A, no lado direito o motor modelo DH-2250-C-1 com tensão de 24V. Figura 9: Motores usados para teste. Quando os dois motores foram comparados, o de maior tensão gerou uma massa de ar maior e consequentemente uma deflexão maior na placa, o que já era de se esperar, no entanto, sua desvantagem está relacionada às suas dimensões quando acoplado à ventoinha em seu eixo de rotação, além de que o seu peso é consideravelmente maior que o do motor DC de 12V, esses fatores contribuem negativamente para um dos propósitos do projeto que é a fácil mobilidade e compacidade do sistema. Contudo, mais testes serão realizados para a escolha definitiva do motor que será usado. PUBLICAÇÕES: Sem publicações até o momento. ATIVIDADES A SEREM DESENVOLVIDAS NOS PRÓXIMOS MESES 1- Conclusão da parte física do protótipo; 1 0

11 2- Identificação do modelo matemático da planta; 3- Projeto e implementação dos controladores usando técnicas clássicas e avançadas de projeto de controladores; CONCLUSÃO: O levantamento bibliográfico realizado foi importante para a obtenção de conhecimentos que serão aplicados em diferentes aspectos do projeto como por exemplo o sensor óptico angular, a aquisição de dados usando o Scilab, etc. O estudo e ambientação das ferramentas que serão utilizadas nas próximas etapas foram importantes, como o uso do Arduino como sistema de aquisição de dados e controle de um motor DC, é importante ressaltar que o conhecimento da linguagem de programação do Arduino foi aprimorado durante esse período de tempo, bem como o conhecimento das ferramentas de programação e simulação oferecidas pelo programa Scilab. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS COELHO, Antônio A. R. e COELHO, Leandro dos S. Identificação de Sistemas DInâmicos Lineares. Florianópolis : UFSC, EIKAWA, Daniel S. e SOUZA, Lúcio de M Reestruturação e Controle de Processo Físico Placa e Ar a Partir de Ganhos Escalonados. Belém, PA, Brasil : Universidade Federal do Pará, 1997.(Trabalho de conclusão de curso) MCROBERT, MIchael. Arduino Básico. São Paulo : Novatec, OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. Rio de Janeiro : LTC, DIFICULDADES - O principal fator negativo encontrado até o momento foi a dificuldade em montar a estrutura física do projeto, tendo em vista os diversos testes que devem ser feitos e a confecção de circuitos dos sensores com precisão significante para uma boa confiabilidade dos resultados que serão obtidos. PARECER DO ORIENTADOR: O aluno vem atendendo todas as expectativas no desenvolvendo das atividades previstas. DATA: 23 / 02 / 2017 ASSINATURA DO ORIENTADOR ASSINATURA DO ALUNO INFORMAÇÕES ADICIONAIS: 1 1

12 FICHA DE AVALIAÇÃO DE RELATÓRIO DE BOLSA DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA O AVALIADOR DEVE COMENTAR, DE FORMA RESUMIDA, OS SEGUINTES ASPECTOS DO RELATÓRIO: 1. O projeto vem se desenvolvendo segundo a proposta aprovada? Se ocorreram mudanças significativas, elas foram justificadas? 2. A metodologia está de acordo com o Plano de Trabalho? 3. Os resultados obtidos até o presente são relevantes e estão de acordo com os objetivos propostos? 4. O plano de atividades originou publicações com a participação do bolsista? Comentar sobre a qualidade e a quantidade da publicação. Caso não tenha sido gerada nenhuma, os resultados obtidos são recomendados para publicação? Em que tipo de veículo? 5. Comente outros aspectos que considera relevantes no relatório 6. Parecer Final: Aprovado ( ) Aprovado com restrições ( Reprovado ( ) ) (especificar se são mandatórias ou recomendações) 7. Qualidade do relatório apresentado: (nota 0 a 5) Atribuir conceito ao relatório do bolsista considerando a proposta de plano, o desenvolvimento das atividades, os resultados obtidos e a apresentação do relatório. Data : / /. Assinatura do(a) Avaliador(a) 1 2

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