Proposta de controle de nível utilizando Redes Neurais Artificiais Paraconsistente

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1 Proposta de controle de nível utilizando Redes Neurais Artificiais Paraconsistente Rolden Baptista, UNIMONTE-Centro Universitário Monte Serrat. Rua comendador Martins, vila Mathias, Santos-SP. RESUMO. A medição de nível em tanques é muito importante e este trabalho traz uma proposta de controle de nível de dois tanques através da Lógica Paraconsistente Anotada com anotação de dois valores (LPA-2v), que é uma lógica não-clássica com atuação diferente da lógica clássica aristotélica. A lógica-não clássica leva em consideração nos cálculos as incertezas e contradições de fontes distintas de informações. Configurando-se uma Rede de Análise Paraconsistente (RAP) utilizando três Nós de Análise Paraconsistente (NAP) e um bloco de Análise de Sinais é feita uma simulação de sua atuação numa planilha eletrônica com várias interações, utilizando os graus de evidências favoráveis e desfavoráveis, até que a RAP consiga cessar as contradições e incertezas para este tipo de controle proporcional. Palavras-chave: Controle de Nível, Nós de Análise Paraconsistente, Rede de Análise Paraconsistente. 1. INTRODUÇÃO Segundo Martinez et al (2014): [...] sistemas de ação proporcional devem ser utilizados em processos onde não há grandes variações de carga, pois este tipo de ação não consegue manter o equilíbrio gerando um novo erro de offset [...]. O controle de nível é extremamente simples e com um controlador PID (proporcional, integral e derivativo) somente a ação P poderia atuar nele, mas ainda ficaria um pequeno erro de offset. Segundo Ribeiro (2007): [...] medição de nível é justamente medir-se a altura do conteúdo de um reservatório que pode conter líquido ou sólido. Através de sensores há a detecção da presença do conteúdo deste recipiente [...]. A variável nível é muito importante nos processos industriais para os mais diversos cálculos onde se destaca o controle de inventários e a prevenção de transbordamento e sobrecarga. O objetivo geral deste trabalho é utilizar a lógica não clássica denominada de Lógica Paraconsistente (LP) mais especificamente na Lógica Paraconsistente Anotada com anotação de dois valores (LPA-2v) para através de graus de evidência poder analisar e eliminar as incertezas e contradições na medição de nível. A LPA-2v atua no mundo real oferecendo condições para tratamentos adequados as inconsistências, ou seja, dando tratamento adequado a duas ou mais interpretações diferentes sobre um mesmo assunto (DA SILVA FILHO et al, 2008). O objetivo específico deste trabalho é uma proposta em medir, comparar e controlar o nível de dois tanques num mesmo valor inserido externamente por um set point através de uma Rede de Análise Paraconsistente (RAP) composta por algoritmos de análise paraconsistente denominados nós de análise paraconsistente (NAP) onde a cada interação dinâmica há o tratamento das incertezas e contradições até que o erro offset seja praticamente nulo. 2. DESENVOLVIMENTO O medidor tipo radar ou ultrassom, que é um tipo de sensor, deve atender à exigência de incerteza de ± 3mm (Ribeiro, 2007). A radiação em diferentes frequências pode ser usada para a medição. Radar e Ultrassom estão na categoria de micro-ondas conforme Tabela 1. Tabela 1 - Tipos de Ondas: TIPO DE ONDA FREQUENCIA COMPRIMENTO Ultrassom 40kHz (kilohertz) 120km Radar 10GHz (GigaHertz) 30mm Fonte: (Ribeiro, 2007). Através de dois sensores de nível serão obtidos os graus de evidência favorável de entrada da RAP e esta deverá analisar estes graus de entrada da variável controlada para assim haver uma tomada de decisão que irá atuar na variável manipulada que é a vazão. Para se medir, comparar e controlar o nível de dois tanques num mesmo valor inserido externamente (set point) através de uma Rede de Análise Paraconsistente deve haver uma análise através da rede dos graus de evidência medidos através dos sensores e assim poder extrair destes um grau de evidência resultante. O valor do set point serve de referência comparativa para uma nova análise e correção. A variável controlada será o nível de dois tanques e a variável manipulada será a vazão que será ajustada através de abertura ou fechamento de uma válvula de 3 vias (BAPTISTA et al, 2014).

2 3. MATERIAIS E MÉTODOS O sistema proposto neste trabalho é o representado na Figura 1. Figura 1 Diagrama Esquemático do Processo Logístico de Distribuição de Fluído. A Figura 1 é composta por: Uma válvula de 3 vias (V1); Vazão total de entrada da válvula (QE); Vazão para o tanque 1; Vazão para o tanque 2; Sensor de nível para tanque 1; Sensor de nível para tanque 2 Um tanque reservatório (tanque pulmão). Os Tanques 1 e 2 são idênticos e o Tanque Pulmão possui capacidade superior aos Tanques 1 e 2 somados Nó de Análise Paraconsistente: Os Nós de Análise Paraconsistente (NAP) são algoritmos, obtidos da metodologia estudada na LPA-2v. Estes algoritmos foram configurados utilizando uma planilha eletrônica para poder obter os resultados em cada nova interação. Várias interações dinâmicas são requeridas até que as incertezas e contradições fiquem praticamente nulas. As informações começadas por µ são os graus de evidências favoráveis e as informações começadas por λ são graus de evidências desfavoráveis. Na Figura 2 o NAP 1 possui para os casos fora da situação ideal o bloco de análise de sinais que irá providenciar um ajuste de µaj (ajuste do grau de evidência favorável) ou λaj (ajuste do grau de evidência desfavorável) conforme a Figura 3 para um ajuste de distribuição da Válvula V1 para o equilíbrio do processo. Figura 2 RAP para Controle de Nível nos Tanques 1 e 2. Tendo-se fontes de informação que enviam para o NAP sinais de evidência a respeito de uma determinada proposição, tais como: µ1=sinal da Fonte de Informação 1 S1 sensor de Nível do Tanque 1 (LT1); µ2=sinal da Fonte de Informação 2 Sensor de Nível do Tanque 2 (LT2); µ3=sinal da Fonte de Informação 3 Abertura da Válvula (V1) de 3 vias;

3 µ4=sinal da Fonte de Informação 4 Set Point de Nível desejado para LT1 e LT2. O NAP2 recebe os ajustes de µaj ou λaj (de acordo com a análise de sinais) para o ajuste que deve ser feito através da válvula V1. O NAP 3 compara os níveis ajustados na NAP 1 com o Set Point desejado para o Sistema e a saída µer3 (grau de evidência resultante do NAP3) é o valor para ajuste da vazão Q2 do sistema para aumento ou diminuição dos níveis LT1 e LT2. A lógica no bloco de Análise de sinais é a seguinte: para φ + (intervalo de certeza positivo) se Gc>0 decremento de λ, se contrário decremento de µ; para φ - (intervalo de certeza negativo) se Gc>0 incremento de µ, se em contrário incremento de λ. Pela Figura 3 se pode observar que φ E é máximo quando µ ctr é 0,5 que equivale a inexistência de contradição (situação ideal). De outro lado quando φ E é nulo acontecerá uma contradição máxima por Indeterminação quando µ ctr é igual a zero e se µ ctr for máximo acontecerá uma contradição máxima por Inconsistência. Figura 3 Gráfico µ ctr versus φ E para análise de Evidências (Fonte: Da Silva Filho et al, 2008). O nível de LT1 deve ser igual ao nível LT2 (premissa). Para isto um primeiro NAP 1 compara se estão iguais conforme a Figura 1. Para isto há uma combinação de análise do valor do Grau de Contradição Normalizado (µ ctr )e do Intervalo de Evidência Resultante (φ E ) (Tabela 2) que são analisados no bloco de Análise de sinais. Tabela 2 Relação entre o µ ctr e φ E para Análise de Sinais e Evidências (Fonte: Da Silva Filho et al, 2008). φ E µ ctr Resultante 0,00 0,000 0,25 0,125 0,50 0,250 0,75 0,375 1,00 0,500 0,75 0,625 0,50 0,750 0,25 0,875 0,00 1,000 Indeterminação Sem Contradição Inconsistência 3.2. Parametrização do Sensor de Nível do Tanque 1 (S1) O sensor de ultrassom de nível do Tanque 1 tem a seguinte parametrização: alimentação de 4 à 20mA. De acordo com a parametrização de funcionamento são estabelecidas as equações 1, 2 e 3: Se (1) Neste caso o nível em tanque 1(LT1) é 100%;

4 Se (2) Neste caso o nível em tanque 1 (LT1) é 0%; Se (3) µ1 = Grau de evidência favorável ao sensor de nível do tanque 1. λ1 = Grau de evidência desfavorável ao sensor de nível do tanque Parametrização do Sensor de Nível do Tanque 2 (S2) O sensor de ultrassom de nível do tanque 2 tem a seguinte parametrização: alimentação de 4 à 20mA. De acordo com a parametrização de funcionamento são estabelecidas as equações 4, 5 e 6: Se (4) Neste caso o nível em tanque 2 (LT2) é 100%; Se (5) Neste caso o nível em tanque 2 (LT2) é 0%; Se (6) µ2 = Grau de evidência favorável ao sensor de nível do tanque 2. λ2 = Grau de evidência desfavorável ao sensor de nível do tanque Parametrização da Válvula V1 A válvula V1 de 3 vias possui a seguinte parametrização: alimentação de 4 à 20mA. As Vazões para os Tanques 1 e 2 são definidas pelas equações 7 e 8: Q1=Vazão para o tanque 1; Q2=Vazão para o tanque 2; V1= Abertura da válvula de 3 vias; QE= vazão de Entrada Parametrização dos graus de evidência favorável e desfavorável De acordo com a parametrização de funcionamento são estabelecidas as equações 9, 10 e 11: Se (9) Neste caso a Q1 é 100% e Q2 é 0%; Se (10) Neste caso a Q1 é 0% e Q2 é 100%; Se (11) (7) (8)

5 µ3 = Grau de evidência favorável à relação Q1 e Q2; λ3 = Grau de evidência desfavorável à relação Q1 e Q Parametrização do Set Point (Graus de evidência favorável e desfavorável). De acordo com a parametrização de funcionamento são estabelecidas as equações 12, 13 e 14: Se (12) Neste caso a Q1 é 100% e Q2 é 0%. Se (13) Neste caso a Q1 é 0% e Q2 é 100%; Se (14) µ4 = Grau de evidência favorável ao setpoint. λ4 = Grau de evidência desfavorável ao setpoint. 4. RESULTADOS. O NAP 1 analisa a proposição: Os níveis de LT1 e LT2 são iguais e o resultado é estabelecido por µer1 (intervalo de evidência resultante do NAP1). O NAP 2 analisa a proposição: A abertura da válvula V1 corresponde Ajuste de Sinais de Evidências necessários e o resultado é estabelecido por µer2 (intervalo de evidência resultante do NAP2). O NAP 3 analisa a Proposição Objeto (Po) da RAP: Os níveis LT1, LT2 e Set Point são iguais e o resultado é estabelecido por µer3 (intervalo de evidência resultante do NAP3).. Para teste da RAP seguem os parâmetros contidos na Tabela 3 e os resultados correspondentes estão demonstrados na Tabela 4. Tabela 3 Valores para Teste da RAP de Controle de Nível µ1 (Nível LT1)% µ2 (Nível LT2)% µ3 (Válvula V1)% µ4(set Point)% QE (Vazão de Entrada)% Tabela 4 Resultados da RAP de Controle de Nível Interação µer1 Ajuste em µer2 µer3 1 0,5 aj=0,3 0,65 0,59 2 0,67 aj=0,3 0,64 0,68 3 0,68 aj=0,3 0,64 0,69 4 0,68 aj=0,3 0,63 0,69 5 0,69 aj=0,3 0,62 0,70 Os níveis foram controlados conforme demonstrado nas Figuras 4 e 5.

6 Figura 4 Interações x Grau de evidência resultante para nível LT1 5. DISCUSSÃO Figura 5 Interações x Grau de evidência resultante para Nível LT2 Observou-se que durante as cinco interações simuladas que houve um aumento da vazão de Entrada em 15,25% para poder atender o set point desejado de nível. O bloco de análise de sinais detectou que o ajuste seria no Grau de Evidência Desfavorável da NAP1 com valor 0,3 (decremento de λaj). Após cada interação foi diminuindo o Grau de Contradição (Gct) conforme a Figura 6. Figura 6 Resultado para Grau de Certeza (Gc) e Grau de Contradição (Gct) da RAP. 6. CONCLUSÃO Através da RAP apresentada com três NAPs obteve-se um ajuste de forma satisfatória com variações suaves por interação e ajustando-se assim os valores de níveis dos tanques 1 e 2 de acordo com o valor de set point. Para tal, a saída da RAP envia uma ordem para a válvula (elemento final de controle) alterar a vazão de entrada e ajustar o valor da abertura ou fechamento da válvula V1.

7 O Bloco de Análise de Sinais detectou que os valores iniciais para os níveis LT1 e LT2 estavam diferentes e apontou o decremento de λaj para o ajuste do grau de evidência desfavorável. As incertezas e contradições são ajustadas em cada interação dinâmica através da RAP. 7. REFERÊNCIAS BAPTISTA, R.; DA SILVA FILHO, J.I.; MORILLA, J.C.; Proposta de modelo para controle de níveis de um processo multivariável de quatro tanques de petróleo com rede de análise paraconsistente, Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, UNISANTA- Programa de pós-graduação em Engenharia mecânica, Santos, Disponível em acesso em 15/Jun./2014 as 14h 19min. DA SILVA FILHO, J. I.; MINORO ABE, J.; LAMBERT TORRES, G., Inteligência Artificial com as Redes de Análises Paraconsistentes Editora LTC, 1ª. Ed., Rio de Janeiro, MARTINEZ, S.C; FERRARA, L. F. P; MÁRIO, M.C., Estudo das principais características de sistemas de controle clássico, artigo técnico, Revista Seleção Documental nº 33, Editora Paralogike, Santos,2014. pp RIBEIRO, M. A., Medição de Nível, artigo técnico, Petrobras, Salvador, NOTA DE RESPONSABILIDADE O autor é o único responsável pelo conteúdo deste artigo.