UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA ALBERTO ALEXANDRE MOURA DE ALBUQUERQUE SISTEMA DE CONTROLE DE UMA INCUBADORA NEONATAL SEGUNDO A NORMA NBR IEC /19: ASPECTOS DE AVALIAÇÃO, IDENTIFICAÇÃO DINÂMICA E NOVAS PROPOSTAS FORTALEZA 2012

2 ALBERTO ALEXANDRE MOURA DE ALBUQUERQUE SISTEMA DE CONTROLE DE UMA INCUBADORA NEONATAL SEGUNDO A NORMA NBR IEC /19: ASPECTOS DE AVALIAÇÃO, IDENTIFICAÇÃO DINÂMICA E NOVAS PROPOSTAS Dissertação submetida à Coordenação do Curso de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, da Universidade Federal do Ceará, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica. Orientador: Prof. Dr. Otacílo da Mota Almeida Co-Orientador: Prof. Dr. Arthur Plínio de Souza Braga FORTALEZA 2012

3 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação Universidade Federal do Ceará Biblioteca de Pós-Graduação em Engenharia - BPGE A298c Albuquerque, Alberto Alexandre Moura de Sistema de Controle de uma Incubadora Neonatal Segundo a Norma NBR IEC /19: Aspectos de avaliação, Identificação Dinâmica e Novas Propostas / Alberto Alexandre Moura de Albuquerque f. : il., enc. ; cm. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Ceará, Departamento de Engenharia Elétrica, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2012Área de Concentração: Eletrônica de Potência e Automação. Orientação: Prof. Dr. Otacílio da Mota Almeida. Coorientação: Prof. Dr. Arthur Plínio de Souza Braga. 1. Engenharia Elétrica. 2. Controle preditivo. I. Título. CDD 621.3

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5 A minha família, em especial aos meus pais.

6 AGRADECIMENTOS A Deus, em primeiro lugar. Ao meu orientador, Prof. Dr. Otacílio da Mota Almeida, pela confiança em mim depositada, pela transmissão de novos conhecimentos e pela competência com a qual orientou todo o desenvolvimento desta dissertação. Aos meus co-orientadores Prof. Dr Arthur Plínio de Souza Braga e o Prof. Dr. Bismark Claure Torrico, por todo apoio e suporte durante todo o desenvolvimento desta dissertação. Aos colegas do laboratório GPAR/UFC, pelo excelente ambiente de trabalho em especial aos integrantes do grupo incubadora: João Paulo, Silas, Lucas, Marcelo, Uchôa e Itanor. Aos meus pais Francisco César de Albuquerque Moura e Maria Silvia Helena Moura de Albuquerque, e a minha namorada Dhebora Sales Rodrigues, pelo incentivo. Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Elétrica que de forma direta ou indireta participaram do desenvolvimento deste trabalho. Ao meu chefe professor André Luiz Carneiro de Araújo pelas inúmeras horas liberadas do trabalho para o desenvolvimento desta dissertação. Aos meus amigos do Instituto Federal do Ceará, em especial Rejane e Tiago Lessa. À FUNCAP (Fundação Cearence de Apoio a Pesquisa) pelo suporte financeiro.

7 RESUMO Neste trabalho foi construído um sistema de hardware e software acoplado em uma incubadora comercial transformando-a em uma plataforma de estudo sobre o processo de umidade e temperatura característico deste sistema. Através do software em um computador é possível fazer medições das variáveis controladas e modificar os valores das variáveis manipuladas, neste caso, o resistor de aquecimento do ar, no sistema de temperatura, e o resistor de aquecimento da água no sistema de umidade. Foram identificados modelos do processo e um controlador preditivo do tipo GPC foi projetado para atender os critérios definidos na norma NBR IEC /19. Para verificar o cumprimento destes critérios pelo controlador foi construído um sistema de hardware e software para realizar alguns dos ensaios previstos pela norma, criando um sistema de avaliação de desempenho do comportamento das grandezas de temperatura e umidade relativa do ar no interior de incubadoras neonatais conforme a norma. O desempenho do controlador projetado foi comparado com o controlador pré existente da incubadora comercial. Foi verificado que o controlador projetado conseguiu atender os critérios da norma com sobre-sinal e erro de regime menores que os obtidos pelo controlador já pré-existente na incubadora comercial. Palavras-chave: Incubadora neonatal. Controle Preditivo. Identificação de modelos de processos. NBR IEC /19.

8 ABSTRACT Inthiswork was built asystem ofhardware andsoftware engagedinacommercial incubator turning it into a platform to study the process of humidity and temperature characteristic of this system. Using the software on a computer can make measurements of controlled variables and modify the values of the manipulated variables, in this case the resistor heating the air in the temperature s system and the heating resistor of the water in the humidity s system. Process models were identified and a predictive controller type GPC is designed to meet the criteria defined in the standard NBR IEC /19. To verify compliance with the criteria by the controller was built a system of hardware and software to perform some of the tests required by the standard. The performance of the controller was designed compared to the controller pre-existing commercial incubator. It was verified that the controller designed could meet the criteria of the standard more efficiently than the already pre existing business in the incubator. Keywords: Predictive Controller, Neonatal Incubator, Temperature and Humidity Estimation, NBR IEC /19.

9 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Incubadora comercial típica Figura 2.2 Incubadora comercial utilizada no desenvolvimento deste trabalho Figura 2.3 Visão geral do funcionamento da incubadora comercial Figura 2.4 Visão geral do sistema de controle desenvolvido Figura 2.5 Esquema elétrico do circuito gradador utilizado Figura 2.6 Esquema elétrico do circuito de detecção de passagem por zero Figura 2.7 Esquema elétrico da fonte de 5V Figura 2.8 Visão geral dos principais elementos da placa de controle Figura 2.9 Localização do sensor SHT11 na cúpula da incubadora Figura 2.10 Informações exibidas pela display durante o funcionamento do sistema. 26 Figura 2.11Placa de interface de comunicação entre a placa de controle e o computador Figura 2.12 Distribuição espacial dos sensores no interior da incubadora como determinado pela norma Figura 2.13Diagrama da visão geral do sistema... 31

10 Figura 2.14 Projeto da base do sistema de aquisição de dados da incubadora neonatal 32 Figura 2.15 Foto do sistema de aquisição de dados desenvolvido. (Detalhe: Sensor MCP9808) Figura 2.16Placa de interface de comunicação entre a placa de controle e o computador Figura 2.17Layout da interface gráfica desenvolvida Figura 5.1 Visão geral de controlador preditivo baseado em modelo Figura 6.1 Dados do ensaio utilizados para treinamento dos modelos de mapeamento Figura 6.2 Dados do ensaio utilizados para validação dos modelos de mapeamento. 59 Figura 6.3 Resultado dos modelos regressivos com os dados de treinamento Figura 6.4 Resultado dos modelos regressivos com os dados de validação Figura 6.5 Resultado dos modelos com redes MLP com os dados de treinamento. 62 Figura 6.6 Resultado dos modelos com redes MLP com os dados de validação Figura 6.7 Resultado dos modelos NARX com os dados de treinamento Figura 6.8 Resultado dos modelos NARX com os dados de validação Figura 6.9 Dados do ensaio utilizado para identificação do modelo do processo Figura 6.10 Comparação do modelo identificado e o dados reais da malha de tempe-

11 ratura Figura 6.11Comparação do modelo identificado e o dados reais da malha de umidade Figura 6.12Resultado da simulação da malha de temperatura com α = Figura 6.13Resultados da simulação do controlador proposto Figura 6.14 Resultado do controlador pré-existente para temperatura durante o ensaio do item da norma Figura 6.15 Resultado do controlador pré-existente para umidade durante o ensaio do item da norma Figura 6.16 Resultado do controlador proposto durante o ensaio do item da norma(temperatura) Figura 6.17 Resultado do controlador proposto com mapeamento durante o ensaio do item da norma(umidade) Figura 6.18 Resultado do controlador GPC durante o ensaio do item da norma. 76 Figura 6.19 Comportamento das temperaturas no ponto A e na saída durante o ensaio do item da norma Figura 6.20Comportamento das umidades no ponto A e na saída durante o ensaio do item da norma Figura 6.21 Resultado do controlador proposto com mapeamento durante o ensaio do item da norma (Temperatura) Figura 6.22 Resultado do controlador proposto com mapeamento durante o ensaio do item da norma(umidade)

12 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 Especificações dos resistores de aquecimento Tabela 6.1 Resultados do índice de desempenho do modelo Regressivo - Validação 60 Tabela 6.2 Resultados do índice de desempenho do modelo MLP - Validação Tabela 6.3 Resultados do índice de desempenho do modelo NARX - Validação Tabela 6.4 Resultados do índice de desempenho dos modelos - Validação Tabela 6.5 Resultados do ensaio com a incubadora comercial - T c = 32 o C Tabela 6.6 Resultados do ensaio com a incubadora comercial - T c = 36 o C Tabela 6.7 Resultados do ensaio com a incubadora comercial Tabela 6.8 Resultados do ensaio com a Incubadora GPAR com o controlador proposto - T c = 32 o C Tabela 6.9 Resultados do ensaio com a Incubadora GPAR com o controlador proposto - T c = 36 o C Tabela 6.10Resultados do ensaio com a Incubadora GPAR com controlador proposto Tabela 6.11 Resultados do ensaio com a incubadora com o controlador proposto utilizando o mapeamento - T c = 32 o C

13 Tabela 6.12 Resultados do ensaio com a incubadora com o controlador proposto utilizando o mapeamento - T c = 36 o C Tabela 6.13 Resultados do ensaio com a incubadora com controlador proposto utilizando o mapeamento

14 LISTA DE SÍMBOLOS ρ c Densidade do ar em kg m 3 Calor específico em m 3 kg 1 v Volume em m 3 H Trocas de calor por convecção e irradiação em W m 2 K 1 S i Área da superfície de contato em m 2 T n Temperatura do ar Vazão do ar em m 3 s 1 P(t) Potência aplicada ao resistor de aquecimento em Watts N R Conjunto dos números naturais Conjunto dos números reais y(k) Saída do sistema, ϕ(k) Vetor de regressores, onde ϕ = [y(k 1);y(k 2);...;y(k n y )], ˆθ Parâmetros a serem estimados ξ(k) Incertezas ou erros do modelo δ l i h l i Gradiente local do neurônio i da camada l Entrada do i-ésimo neurônio na l-ésima camada g ( ) Derivada da função de ativação d u i y l i Saída desejada do i-ésimo neurônio Saída do i-ésimo neurônio na l-ésima camada

15 LISTA DE SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ARMA Auto Regressive and Moving Average ARMAX Auto Regressive Moving Average with exogenous inputs ARX Auto Regressive with exogenous inputs ARIMA Auto Regressive and Integrated Moving Average ATC Temperatura de Ar Controlada CARIMA Controlled Auto Regressive Integrated Moving Average CPBM Controle Preditivo Baseado em Modelo DEE Departamento de Engenharia Elétrica ERR Taxa de Redução do Erro GPC Generalized Predictive Control GPAR Grupo de Pesquisa em Automação e Robótica IEC International Electrotechnical Commission ITC Temperatura Controlada do Recém-nascido MIMO Multiple Input, Multiple Output MISO Multiple Input, Single Output MLP MultiLayer Perceptron MSE Mean Squared Error NARX Nonlinear AutoRegressive model with exogenous Input NARMAX Nonlinear Auto Regressive Moving Average with exogenous inputs NBR Norma da ABNT PID Proporcional, Integral e Derivativo - Termos do controlador. PWM Pulse Width Modulation RNA Rede Neural Artificial QP Quadratic Programming SISO Single Input - Single Output UR Umidade Relativa ZOH Zero-Order Hold

16 xi SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO Motivação Objetivos Trabalhos relacionados Produção Científica Organização da Dissertação AVALIAÇÃO DE INCUBADORAS NEONATAIS SEGUNDO A NORMA NBR IEC / Adapatação da Incubadora Comercial Placa de Potência Placa de Controle Placa de Interface Software de Controle Avaliação de incubadoras neonatais segundo a norma NBR IEC / Sistema de ensaio de incubadoras neonatais baseado na norma NBR IEC / Sistema de Aquisição de Dados Dispositivo de Comunicação Software de Aquisição Formulação do Problema Conclusões ESTRUTURAS DE MODELOS LINEARES PARA IDENTIFI- CAÇÃO DE PROCESSOS Representações em tempo discreto para sistemas lineares

17 3.2 Modelo da resposta finita ao impulso - FIR Modelo ARMAX O estimador dos mínimos quadrados Conclusões ESTRUTURAS DE MODELOS NÃO-LINEARES PARA IDEN- TIFICAÇÃ DE PROCESSOS Modelo Polinomial NARMAX Redes Neurais Artificiais Conclusões CONTROLE PREDITIVO BASEADO EM MODELO Introdução GPC (Generalized Preditive Control) Conclusões ENSAIOS E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Modelos para Mapeamento Modelo Regressivo Modelo MLP Modelo NARX Comentários Projeto do Controlador Preditivo Resultados Conclusões CONCLUSÕES Comentários Finais Trabalhos Futuros Referências

18 13 1 INTRODUÇÃO No Brasil, no ano de 2011, mais de 68% das mortes de crianças até um ano de idade ocorreram até os vinte e oito primeiros dias de vida, segundo dados do Ministério da Saúde (Datasus Ministério da Saude, 2011). Os recém-nascidos de saúde debilitada e/ou prematuros têm grande dificuldade de regular a temperatura corporal devido a motivos como: uma alta taxa de metabolismo provocada por condição de enfermidade, menor quantidade de tecido adiposo, alta relação entre a superfície e o volume corporal que obriga o recém-nascido a um alto gasto de energia por kilograma comparado a um adulto (ASKIN; WILSON, 2003). Quando o neonato não consegue manter sua temperatura, pode ter o agravamento de sua condição de saúde, entrar em estado de coma, ou mesmo vir a óbito. As principais formas de perda de calor do recém-nascido são: perdas por condução, perdas por evaporação, perdas por convecção e perdas por radiação (REFORSUS, 2002).Neste contexto, a incubadora neonatal tenta prover um ambiente com condições favoráveis ao gasto mínimo de energia do neonato enquanto mantém a sua temperatura corporal dentro da faixa normal, assim este ambiente pode ser definido como um ambiente termoneutro (ARONE, 1993). A norma técnica brasileira NBR IEC /19 provê especificações mínimas de desempenho para incubadoras neonatais no provimento de um ambiente seguro ao recém-nascido. Estas especificações são verificadas através de ensaios que incluem, por exemplo, a análise dos sinais obtidos por sensores de temperatura e umidade em posições especificadas pela norma (ABNT, 2000). Neste trabalho a modelagem matemática da dinâmica dos sinais de temperatura e umidade da incubadora neonatal é considerado um fator importante para o desenvolvimento de controladores melhores e mais precisos, que minimizem os riscos associados aos recém-nascidos instalados em incubadoras nas unidades de tratamento em hospitais. Do ponto de vista da teoria de controle, a incubadora pode ser vista como um sistema TITO (Two Input, Two Output) com acoplamento, sendo a umidade e a temperatura no interior da cúpula da incubadora, as variáveis controladas. Através de modelos que representem com maior fidelidade a dinâmica do processo é possível projetar controladores mais eficientes (CAMACHO; BORDONS, 1999). Entretanto a modelagem deste sistema através de modelos fenomenológicos é uma tarefa complexa. Dos controladores utilizados em processos com características lineares, o controlador preditivo é uma alternativa que apresenta resultados muito promissores e de uso crescente na literatura (CAMACHO; BORDONS, 1999) (ZERMANI; FEKI; MAMI, 2011a). Porém, o desempenho do controlador preditivo é dependente do modelo identificado do processo (CAMACHO; BORDONS, 1999).

19 14 Assim, faz-se necessário um estudo para obtenção de modelos eficientes da incubadora que satisfaçam as especificações, estabelecidas em norma, para o funcionamento adequado do equipamento. 1.1 Motivação A incubadora neonatal provê um microclima ideal que minimiza as perdas de calor e água do recém-nascido, condição que é vital para a sobrevivência e o correto desenvolvimento do bebê prematuro ou com a saúde debilitada. Para prover um ambiente termicamente neutro para o neonato, uma incubadora típica realiza o controle de variáveis como: temperatura, umidade e circulação de ar no interior da cúpula onde fica abrigado o recém-nascido (ARONE, 1993). Usualmente o fluxo de ar é ajustado para um valor constante, controlando-se somente a temperatura e umidade nos modelos mais atuais. Assim é de suma importância que o algoritmo de controle dos níveis de temperatura e umidade da incubadora seja apropriadamente projetado e aplicado. A verificação periódica do atendimento das normas pertinentes por parte da incubadora, também é um fator importante para a manutenção da qualidade do tratamento e da segurança de recém nascidos que se utilizam das incubadoras neonatais. O presente trabalha busca contribuir nestes dois aspectos, um vez que propõe um algoritmo de controle das variáveis ambientais da incubadora e propões um sistema para fazer a aferição de incubadoras segundo a norma NBR IEC /19. Os objetivos são melhor detalhados na próxima seção. 1.2 Objetivos Essa dissertação tem como objetivo principal o projeto de controladores preditivos do tipo GPC para as malhas de temperatura e umidade de uma incubadora neonatal comercial. Serão executados ensaios previstos pela norma NBR IEC /19 em duas situações: (i) numa incubadora comercial com o seu controlador de fábrica, (ii) na mesma incubadora comercial adaptada para a utilização do controlador objeto deste trabalho. Os resultados obtidos serão comparados para verificar o desempenho do controlador projetado diante de um controlador já utilizado comercialmente. Como objetivo secundário deste trabalho, serão realizados: (i) a obtenção de modelos da planta da incubadora neonatal, utilizando técnicas de identificação lineares e não-lineares e (ii) uma análise comparativa entre os modelos construídos. Serão obtidos dois tipos de modelos: O primeiro modelo relaciona a ação dos atuadores de controle da umidade e temperatura com os valores da temperatura e umidade no interior da incubadora.

20 15 O segundo modelo descreve a relação entre a temperatura e a umidade na saída de ar da incubadora com os valores medidos nas posições definidas pela norma NBR IEC /19. O primeiro modelo é utilizado na representação do processo e é usado no projeto do controlador, para este fim serão utilizados os modelos lineares ARMAX. O segundo tipo de modelo faz o mapeamento entre a temperatura e umidade medidas pelo sensor da incubadora e no ponto central do colchão a uma altura de 10cm. O uso de modelos para o mapeamento é necessário devido ao fato de que o controle da incubadora é feito utilizando-se um sensor de temperatura e umidade no alto da cúpula enquanto que durante os ensaios da norma estas medidas são tomadas por um sensor posicionado no centro do colchão. Uma vez que as medidas de temperatura e umidade no centro do colchão e no alto da cúpula são sistematicamente diferentes, as estimativas geradas pelo modelo de mapeamento podem ser usadas pelo controlador preditivo visando melhorar o desempenho deste em relação à norma. Para a estimação dos modelos de mapeamento serão usadas técnicas lineares e não-lineares. Visando satisfazer o objetivo principal desta dissertação foram identificados os seguintes objetivos adicionais: Construção de um sistema de hardware e software para coletar os dados de temperatura e umidade da incubadora e realizar os ensaios definidos pela norma NBR IEC /19. Construção de um sistema de hardware e software para realizar o controle de temperatura e umidade em uma incubadora neonatal comercial. 1.3 Trabalhos relacionados Para o desenvolvimento desta dissertação foi realizado um levantamento dos trabalhos publicados que abordam a identificação e controle de incubadoras neonatais, bem como trabalhos sobre a construção de equipamentos para a realização de ensaios previstos da norma NBR IEC /19. Dentre os trabalhos que abordam sistemas de ensaio para validação de incubadoras perante a norma, estudou-se os seguintes trabalhos: Um sistema de avaliação de desempenho é mostrado em Agostini (2003), este sistema utiliza uma comunicação pela porta paralela de um computador para a leitura dos sensores por um aplicativo de controle instalado em um PC, onde são mostrados relatórios em texto sobre o desempenho da incubadora durante os ensaios

21 16 proposto pela norma. Também são descritos em Agostini (2003), os principais ensaios da norma relativo ao comportamento da temperatura e umidade no interior da incubadora neonatal. O trabalho mostrado em Oliveira (2007), também propõe um sistema de avaliação de desempenho de incubadoras neonatais. Em Oliveira (2007) o autor melhora o sistema proposto em Agostini (2003) incorporando novas tecnologias ao sistema de monitoramento, como comunicação via Bluetooth, interface gráfica em Java e sensores de temperatura e umidade mais atuais. O autor teve sucesso na construção do sistema, apresentando como resultados um ensaio executado em uma incubadora neonatal real. O desenvolvimento desta dissertação tomou como base os trabalhos descritos em Agostini (2003) e Oliveira (2007), para a construção de um sistema avaliador de desempenho de incubadoras neonatais com base na norma NBR IEC /19, que é um dos objetivos específicos deste trabalho. Este trabalho aprofunda mais o que foi apresentado pelos autores anteriormente citados, no sentido de que o sistema avaliador é usado para comparar o desempenho entre uma incubadora comercial e a mesma incubadora com um controlador desenvolvido como objetivo desta dissertação. Para a identificação do processo da incubadora neonatal e projeto do controlador para esta, os seguintes trabalhos foram analisados: Em Santos (2010), a autora aborda a identificação dos sinais da incubadora, tanto para controle como para mapeamento, utilizando técnicas lineares e não-lineares, e realizando uma comparação destas técnicas. Dentre as técnicas não-lineares, foram estudas as redes neurais artificiais, especificamente a MLP (HAYKIN, 2008), e modelos NARX e NARMAX. Em Neto (2010), o autor constrói um protótipo de incubadora neonatal e realiza um controle PI multivariável para o processo de temperatura e umidade relativa do ar. São mostradas duas técnicas de ajuste do controlador PI, e é demonstrado que o controlador projetado consegue atingir certos critérios da norma NBR IEC /19. Em Zermani, Feki e Mami (2011a), o autor utiliza algoritmos genéticos para estimar os parâmetros de um modelo NARMAX na identificação do processo da malha de umidade de incubadora neonatal, sem levar em conta a interação com a temperatura. De posse do modelo são projetados dois controladores: (i) um PID ajustado através de algoritmos genéticos e (ii) um MPC também ajustado por algoritmos genéticos.

22 17 São apresentados resultados de simulações onde é demonstrado que o controlador MPC tem um desempenho superior ao PID. Em (ZERMANI; FEKI; MAMI, 2011b), o autor projeta um controlador adaptativo preditivo do tipo IAGPC para a malha de temperatura da incubadora neonatal. Neste trabalho o processo é identificado por uma estrutura ARX, onde seus parâmetros são atualizados em tempo real para se adequar a alterações do processo. O autor faz uma comparação entre três controladores : (i) ON-OFF, (ii) PID e o (iii) IAGPC. É demonstrado através de resultados experimentais que o IAGPC é o mais eficiente dentre os controladores comparados. Os trabalhos mostrados em Santos (2010) e Neto (2010) que foram desenvolvidos pelo grupo Incubadora do laboratório GPAR, utilizando um protótipo da incubadora neonatal construído como objeto do trabalho de Neto (2010). Alguns critérios da norma não puderam ser avaliados devido a restrições de funcionamento do protótipo. O presente trabalho busca avançar nas pesquisas realizadas pelo grupo, investigando a identificação de modelos e projeto de controladores sobre uma incubadora neonatal comercial que foi transformada em uma plataforma de estudo deste processo como objeto deste trabalho e com a criação de um sistema de avaliação de desempenho independente que pode ser utilizado em outras incubadoras. Com isso buscou-se comparar novas técnicas de identificação, como modelo não-linear NARX e modelos lineares FIR e compará-las com os resultados obtidos pelas redes MLP no mapeamento de temperaturas mostrados em Santos (2010), bem como avaliar critérios da norma que não foram avaliados em Neto (2010) devido a limitações no resistor de aquecimento do protótipo. 1.4 Produção Científica Durante a realização desta dissertação foram produzidos dois artigos técnicos científicos em torno do tema abordado por esta em congressos científicos. Os trabalhos são listados abaixo: ALBUQUERQUE, A. A. M. et al. Artificial neural networks in the estimation of measures of temperature and humidity inside a neonatal incubator. In: HUFFEL, S. V. et al. (Ed.). BIOSIGNALS. SciTePress, p ISBN (ALBUQUERQUE et al., 2012a). ALBUQUERQUE, A. A. M. et al. Sistema Automático de Avaliação de Desempenho de Incubadoras Neonatais, segundo a norma NBR IEC In: ANAIS DO XXIII CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA BIOMÉDICA (CBEB). [S.l.: s.n.], 2012 (ALBUQUERQUE et al., 2012b).

23 Organização da Dissertação O desenvolvimento desta dissertação segue a seguinte sequência de capítulos, conforme é mostrado abaixo: Capítulo 2: Neste capítulo são abordados a descrição da incubadora neonatal e os pontos relevantes da norma NBR IEC /19 usados neste trabalho bem como a descrição dos sistemas de ensaio e de controle construídos como objeto desta dissertação. Capítulo 3: Neste capítulo são abordadas técnicas de identificação lineares para modelos SISO (Single Input, Single Output), onde são contemplados os modelos FIR e ARMAX. Capítulo 4: Neste capítulo são abordadas técnicas de identificação não-lineares de modelos, onde são contemplados os modelos MLP e NARX. Capítulo 5: Neste Capítulo é apresentada a fundamentação teórica do controlador preditivo desenvolvido nesta dissertação. Capítulo 6: Neste capítulo são mostrados os ensaios realizados e os modelos obtidos utilizando as técnicas de identificação abordadas nos capítulos 3 e 4. Os desempenhos dos modelos são comparados e discutidos. O projeto do controlador é apresentado, e os resultados experimentais são comparados com a incubadora comercial. Capitulo 7: Neste capítulo estão as conclusões finais a respeito dos resultados obtidos, e são apresentadas propostas para trabalhos futuros, no âmbito desta dissertação.

24 19 2 AVALIAÇÃO DE INCUBADORAS NEONATAIS SEGUNDO A NORMA NBR IEC /19 A incubadora neonatal é um equipamento médico, que tem como principal função prover uma ambiente termo-neutro auxiliando o tratamento de recém nascidos prematuros. A incubadora provê este ambiente termo-neutro através do controle da temperatura e da umidade internas do compartimento reservado ao neonato. Para realizar o controle destas variáveis ambientais as incubadoras possuem sensores de temperatura e/ou umidade, atuadores geralmente na forma de resistor de aquecimento e resistor de vaporização ou nebulizadores e interface de operação na forma de botões, leds e displays e unidade de controle. Em uma incubadora típica, através da leituras dos sensores, a unidade de controle aciona os atuadores de modo que as grandezas de temperatura e umidade alcancem os valores ajustados na interface de controle pelo usuário (IAIONE; MORAES, 2002). A Figura 2.1 mostra os principais elementos de um incubadora neonatal típica. Figura 2.1: Incubadora comercial típica. Fonte: (AGOSTINI, 2003) O laboratório GPAR (Grupo de Pesquisa em Automação e Robótica), localizado no Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, adquiriu uma incubadora neonatal comercial para fins de estudo e pesquisa. Esta incubadora dispõe de um sistema eletrônico microprocessado que controla o nível de temperatura e umidade relativa no interior da cúpula, entretanto o sistema eletrônico da incubadora não disponibiliza de forma digital os valores aplicados aos atuadores e as medidas do sensor de temperatura e umidade. Dado o exposto, decidiu-se construir um sistema eletrônico de controle próprio aproveitando ao máximo as conexões presentes na incubadora comercial para a aplicação do controlador projetado nesta dissertação. De modo a facilitar o entendimento do leitor, doravante a incubadora comercial com seu controlador original de

25 20 fábrica, sem nenhuma intervenção, será denominada Incubadora Comercial, enquanto que a incubadora após as modificações para a utilização do controlador proposto neste trabalho será denominada Incubadora GPAR. Neste capítulo é descrito toda a plataforma construída e os aspectos da norma relevantes para execução dos objetivos especificados no Capítulo 1. A Seção 2.1 descreve a adaptação realizada na incubadora comercial para a aplicação do controlador preditivo. A Seção 2.2 descreve os requisitos para as variáveis de temperatura e umidade impostos pela norma os quais as incubadoras devem seguir. Já a Seção 2.3 descreve a construção do sistema de ensaios para validar o controlador proposto. O capítulo é encerrado com a formulação do problema a ser investigado neste trabalho na Seção 2.4 e com as considerações finais sobre o exposto no capítulo na Seção 2.5. Figura 2.2: Incubadora comercial utilizada no desenvolvimento deste trabalho. Fonte: Próprio Autor 2.1 Adapatação da Incubadora Comercial A Incubadora Comercial realiza o controle da temperatura da cúpula onde fica o recém-nascido através de um resistor de aquecimento em conjunto com um sistema de circulação de ar. O controle da umidade relativa do ar no interior da cúpula é realizado através do vapor d água produzido em função do aquecimento de uma porção de água presente em um reservatório da incubadora. Para efetuar o aquecimento desta água, o sistema de controle atua em um resistor de aquecimento mergulhado neste reservatório. Assim, o ar quente e o vapor d água gerados são colocados no sistema de circulação de ar e chegam até a cúpula. No alto da cúpula, próximo à entrada de ar, está localizado um sensor integrado de umidade e temperatura do tipo SHT11 (SENSIRION, 2010a). Este sensor é utilizado no sistema de controle para que este atue nos resistores de aquecimento e umidificação, de forma a alcançar temperatura e umidade informadas pelo operador. A Figura 2.3 mostra um esquema geral do funcionamento da incubadora.

26 21 Figura 2.3: Visão geral do funcionamento da incubadora comercial. Fonte: Próprio Autor De posse destas informações foi construído um sistema de controle com as seguintes características: Uma placa de potência para realizar o acionamento das resistências de aquecimento e umidificação, e acionar os motores do sistema de ventilação. Uma placa de controle capaz de: (i) ajustar a energia entregue aos resistores de aquecimento e umidificação, (ii) realizar a leitura do sensor SHT11 e (iii) ter comunicação sem fio com um software de controle no PC. Uma placa de comunicação para realizar a interface entre a placa de controle e o PC. Um software de controle capaz de receber leituras do sensor da placa de controle e enviar comandos para a placa de controle atuar nos resistores de aquecimento e umidificação. A Figura 2.4 mostra um visão geral do sistema de controle desenvolvido. Nas subseções seguintes serão descritas as partes do sistema eletrônico de controle da Incubadora GPAR Placa de Potência A incubadora possui dois resistores de potência para o controle da temperatura e umidade com as seguintes especificações mostradas na Tabela 2.1.

27 22 Figura 2.4: Visão geral do sistema de controle desenvolvido. Fonte: Próprio Autor Tabela 2.1: Especificações dos resistores de aquecimento. Resistor Tensão Nominal Potência Aquecimento de Ar 110 Volts 350 W Aquecimento de Água 110 Volts 200 W O controle da temperatura do ar e da produção de vapor d água é realizado aumentando ou diminuindo a potência entregue aos resistores de aquecimento. A forma adotada para regular esta potência foi através da modulação da tensão eficaz a qual o resistor está submetido, em um circuito conhecido na literatura como gradador (RASHID, 1999)(BARBI, 1986). Para resolver esta questão foi desenvolvida uma placa de potência com um circuito gradador para cada um dos resistores e um circuito detector de cruzamento por zero da tensão alternada. Além destes circuitos, adicionou-se um circuito de uma fontede 5V, comoobjetivo de suprir a alimentação da placa decontrole descrita posteriormente. O componente principal do circuito gradador utilizado é o TRIAC BT138, onde a modulação da tensão eficaz sobre o resistor é realizado variando-se o tempo de disparo de um pulso de corrente sobre o terminal gate do BT138. O tempo de disparo varia entre 0 e 8,33 milisegundos, tomando como referência o cruzamento por zero da tensão alternada a qual o resistor está submetido. O acionamento do BT138 é feito através de um optoacoplador do tipo MOC21, para isolar a parte de potência do circuito da parte digital. O esquemático do circuito gradador desenvolvido é mostrado na figura 2.5: O circuito de detecção de passagem por zero utiliza um fotoacoplador do tipo 4N25, gerando um pulso com tensão de 5V a cada passagem por zero da tensão alternada de entrada. Este pulso é utilizado para sincronizar o acionamento do TRIAC dos circuitos

28 23 Figura 2.5: Esquema elétrico do circuito gradador utilizado. Fonte: Próprio Autor gradadores. Este circuito é mostrado na Figura 2.6. Figura 2.6: Esquema elétrico do circuito de detecção de passagem por zero. Fonte: Próprio Autor Ocircuito da fontedealimentação temuma tensãodesaída de5v,comoobjetivo de suprir a placa de controle e alguns circuitos da própria placa de potência. A fonte tem como tensão de entrada uma tensão alternada de 14 volts eficaz, fornecida por um transformador já disponível na estrutura da incubadora. Após um estágio de retificação com filtro (mostrado no circuito de sincronismo) é utilizado um regulador de tensão 7805 para garantir uma tensão estabilizada de 5V na saída da fonte. O esquemático do circuito da fonte é mostrado na Figura 2.7. O sinal de sincronismo e as portas dos acionamentos do optoacopladores, e saída da tensão da fonte de alimentação são ligadas a um conector externo, que será ligado via cabo a placa de controle que é descrita a seguir.

29 24 Figura 2.7: Esquema elétrico da fonte de 5V. Fonte: Próprio Autor Placa de Controle A placa de controle foi desenvolvida com o objetivo de realizar a leitura do sensor de temperatura e umidade SHT11, gerenciar a potência sobre os resistores de aquecimento, e ter uma comunicação sem fio com o software de controle e supervisão instalado em um PC. Esta placa inclui ainda um display LCD alfanumérico que mostra informações sobre a temperatura e umidade, e a porcentagem do sinal de controle aplicado aos atuadores. Uma visão geral da placa de controle é mostrada na Figura 2.8. Figura 2.8: Visão geral dos principais elementos da placa de controle. Fonte: Próprio Autor A parte principal da placa de controle, chamada de unidade de processamento, é responsável por processar as leituras do sensor de umidade e temperatura SHT11, gerar os sinais de controle para o acionamento das resistências através da placa de potência e executar o protocolo de comunicação com o software de controle através do módulo de comunicação sem fio. Esta unidade é constituída por um microcontrolador do tipo

30 25 dspicf4013. Seguem algumas características deste dispositivo que pesaram na sua escolha: Desempenho de até MIPS (Milhões de Instruções por Segundo) Periféricos: USART, Modulo CCP e SPI. Apesar do problema proposto para a placa de controle poder ser resolvido por um microcontrolador de menor desempenho, escolheu-se o dspicf4013 como forma de possibilitar e facilitar a implementação de algoritmos de controle mais complexos diretamente no microcontrolador em trabalhos futuros. Para a comunicação com o software de controle, optou-se por utilizar uma comunicação sem fio para aproximar o uso do sistema a realidade de uma UTI neonatal, onde o uso de cabos de comunicação com um PC seria uma solução impraticável. Para atender este requisito é utilizado um módulo de rádio MRF24J40MA, fabricado pela empresa MICROCHIP c. Este módulo foi desenvolvido para ser compatível com o padrão IEEE , especialmente indicado para aplicações sem fio de baixa potência e pequenas taxas de transmissão (SOCIETY, 2009), adequando-se a problemática desta dissertação. Esse dispositivo se comunica com o microcontrolador por meio de uma interface SPIR. O sensor SHT11 já faz parte da estrutura da incubadora, estando posicionado no alto da cúpula do lado da entrada de ar como mostrado na Figura 2.9. Este componente possui sensores de temperatura e umidade, assim como conversores A/D internos e tem como saída uma palavra digital correspondente aos valores por ele lidos. A comunicação é feita por uma interface serial síncrona a dois fios em um padrão próprio ligado a dois pinos de entrada e saída do microcontrolador. Figura 2.9: Localização do sensor SHT11 na cúpula da incubadora. Fonte: Próprio Autor

31 26 AplacadecontrolecontaaindacomumdisplayLCDalfanumérico de4linhaspor 20 colunas que mostra as leituras atuais de umidade e temperatura da cúpula da incubadora, e os valores instantâneos da ação de controle aplicada aos resistores de aquecimento e do sistema de umidade. A Figura 2.10 mostra as informações exibidas no display durante o funcionamento da Incubadora GPAR. O software de controle se comunica com a placa de controle seguindo um protocolo de comunicação desenvolvido. Figura 2.10: Informações exibidas pela display durante o funcionamento do sistema. Fonte: Próprio Autor Placa de Interface Para a comunicação com o PC, foi desenvolvida uma placa de interface vista na Figura 2.16, composta por um microcontrolador PIC18F2550 acoplado a outro módulo MRF24J40MA. A escolha desse microcontrolador deveu-se a sua característica de possuir uma porta de comunicação USB 2.0. É através desta placa que o computador recebe e envia informações para a placa de controle situada dentro da incubadora. A comunicação USB foi escolhida por ser largamente utilizada, substituindo as antigas portas seriais e paralelas. Figura 2.11: Placa de interface de comunicação entre a placa de controle e o computador. Fonte: Próprio Autor

32 Software de Controle O Software de Controle foi desenvolvido utilizando o software MATLABR, sem utilização de interface gráfica com o intuito de favorecer o desenvolvimento e execução de diferentes tipos de algoritmos de controle. Para a comunicação com a placa de controle são utilizadas três funções descritas a seguir: Função Ajusta PWM temperatura (Ajuste): Esta função passa um valor da variável Ajuste para ser aplicada no resistor de aquecimento do ar. A variável Ajuste pode variar entre 0 e 100, onde o valor 0 significa nenhuma potência entregue a resistência e o valor 100 indica a potência máxima sendo aplicada. Função Ajusta PWM umidade (Ajuste): Esta função passa um valor da variável Ajuste para ser aplicada no resistor de aquecimento da água. A variável Ajuste pode variar entre 0 e 100, onde o valor 0 significa nenhuma potência entregue a resistência e o valor 100 indica a potência máxima sendo aplicada. Função Le Sensor SHT11(): Esta função retorna os valores atuais da temperatura e umidade. A partir destas funções foi desenvolvido um algoritmo para aplicação de um controlador genérico ao processo da incubadora neonatal. Este algoritmo pode ser descrito através dos seguintes passos:

33 28 O algoritmo utilizado foi pensado para ser facilmente modificado para se utilizar outros tipos de controladores alterando apenas a lei de controle calculada no passo nove. Essa característica vem a ser uma contribuição ao laboratório GPAR, no sentido que o conjunto do sistema de software e hardware construído como objeto deste trabalho, pode ser usado para o estudo de outros controladores e técnicas de identificação para o processo da incubadora neonatal. Para avaliar o desempenho do controlador desenvolvido, resolveu-se utilizar parâmetros definidos na norma NBR IEC /19, que define requisitos mínimos de segurança e qualidade para as incubadoras neonatais comercializadas no Brasil. A próxima seção aborda os procedimentos da norma que são utilizados por este trabalho. 2.2 Avaliação de incubadoras neonatais segundo a norma NBR IEC /19 Os parâmetros de qualidade e segurança que as incubadoras neonatais comercializadas no Brasil devem respeitar são definidos pela norma NBR IEC /19: Requerimentos particulares para a segurança de incubadoras neonatais. Esta norma é adaptada da norma internacional IEC /19. Entre outros parâmetros a norma determina os requisitos de variação das variáveis ambientais da incubadora neonatal, tais como a temperatura, umidade, velocidade do fluxo de ar e nível de ruído sonoro. Neste trabalho foi enfocado somente os requisitos da norma relativos ao comportamento da temperatura e umidade relativa do ar, uma vez que estas grandezas tem grande influência no desenvolvimento do neonato (ARONE, 1993) e do ponto de vista do controle formam um processo interessante de ser estudado, como mostrado no Capítulo 1. Para a realização das medições de temperatura e umidade relativa do ar, a norma determina cinco posições dentro da incubadora onde deverão ficar situados os sensores destas grandezas. Os sensores são distribuídos sobre um plano paralelo 10 cm acima do colchão. A primeira posição, denominada de posição A(Pa) é a posição central do colchão, ou seja, o ponto formado pelo encontro das duas diagonais do quadrilátero formado pelo colchão. A partir da divisão do plano do colchão em quatro quadriláteros iguais formados pelas duas mediatrizes do quadrilátero formado pelo perímetro do colchão, temos que as posições restantes denominadas B (Pb), C (PC), D (Pd), E (Pe), estão situadas no encontro das diagonais de cada um dos quatro quadriláteros. O desenho da distribuição espacial dos sensores é mostrada na Figura A norma determina que a temperatura seja medida nos pontos: Pa, Pb, Pc, Pd e Pe, e a umidade relativa do ar seja medida no ponto Pa. A norma determina uma série de procedimentos para aferir o desempenho do sistema de controle de temperatura e

34 29 Figura 2.12: Distribuição espacial dos sensores no interior da incubadora como determinado pela norma. Fonte: Adaptado de (ABNT, 2000) umidade. Para a melhor compreensão da descrição dos procedimentos, são apresentados alguns termos definidos pela norma (ABNT, 2000): TEMPERATURA MÉDIA: A média das leituras de temperaturas tomadas em intervalos regulares em qualquer ponto especificado no compartimento onde fica localizado o neonato, obtidas durante a CONDIÇÃO DE TEMPERATURA CONS- TANTE. TEMPERATURA MÉDIA DA INCUBADORA: A média das leituras da TEM- PERATURA DA INCUBADORA tomadas em intervalos regulares, obtidas durante a CONDIÇÃO DE TEMPERATURA CONSTANTE. TEMPERATURA DA INCUBADORA: A temperatura medida no ponto Pa. CONDIÇÃO DE TEMPERATURA CONSTANTE: Condição em que a TEMPE- RATURA DA INCUBADORA não variar em mais de 1 o C em um período de uma hora. TEMPERATURA DE CONTROLE: Temperatura selecionada pelo usuário para o controle da temperatura. Abaixo seguem alguns dos procedimentos requeridos pela norma, quando a incubadora opera no modo de temperatura do ar controlada, que foram abordados neste trabalho: 1. Antes de iniciar os ensaios verificar se a temperatura ambiente encontra-se entre 21 C e 26 C.

35 2. Ajustar a temperatura de controle da incubadora para 11 C acima da temperatura ambiente. A incubadora deve atingir a temperatura de controle no tempo especificado pelo fabricante, com uma tolerância de 20%. 3. Ajustaratemperaturadecontroledaincubadoraparadoispontosdeoperação, 32 C e36 C. Emcadaponto deoperação, aguardaracondição DETEMPERATURA CONSTANTE. 4. Em relação ao procedimento três, a TEMPERATURA MÉDIA dos sensores nas posições PA, PB, PC, PD e PE não podem diferir em mais de 0,8 C da A TEMPERA- TURA MÉDIA DA INCUBADORA durante o período de uma hora, com o colchão em posição normal e 1 o C com o colchão inclinado. A TEMPERATURA MÉDIA DA INCUBADORA não deve diferir da temperatura de controle em ±1,5 o C. 5. Com a TEMPERATURA DA INCUBADORA na CONDIÇÃO DE TEMPERA- TURA CONSTANTE em 32 C, ajustar a temperatura de controle para 36 C e verificar se a sobre-elevação da temperatura fica abaixo de 2 C e se o tempo para alcançar a nova CONDIÇÃO DE TEMPERATURA CONSTANTE é menor que quinze minutos, a partir da primeira passagem por 36 o C. 6. O valor da umidade mostrado pela incubadora não deve diferir em mais de 10 % do valor medido pelo sensor na posição A, durante todo o funcionamento da incubadora. Para avaliar o desempenho do controlador projetado, e do controlador da incubadora comercial em relação a norma, foi desenvolvido um sistema de avaliação de desempenho que fosse capaz de executar os ensaios descritos nesta seção. Na Seção 2.3 são descritos os aspectos de construção e funcionamento deste sistema. 2.3 Sistema de ensaio de incubadoras neonatais baseado na norma NBR IEC /19 Um sistema de ensaio de desempenho foi desenvolvido de modo que pudesse ser colocado na incubadora a fim de realizar medidas de temperatura e umidade seguindo as especificações descritas na norma NBR IEC /19 (ABNT, 2000). O sistema construído dispõe de três partes principais: 1. Um sistema de aquisição de dados, acoplado em uma base de acrílico com sensores de temperatura e umidade dispostos como especifica a norma, e com comunicação sem fio.

36 31 2. Um dispositivo para recepção de dados enviados pelo sistema de aquisição, que é acoplado a computador do tipo PC, através de uma porta USB. 3. Um software no PC para requisitar e armazenar as leituras feitas pelo sistema de aquisição de dados. Figura 2.13: Diagrama da visão geral do sistema Fonte: Próprio Autor A Figura 2.13 mostra uma visão geral do sistema cujo funcionamento ocorre da seguinte forma: o software no computador faz uma requisição, via USB, para o dispositivo de comunicação, que por sua vez repassa essa requisição ao sistema de aquisição de dados que faz a leitura dos sensores e a envia de volta para o software no PC por meio do dispositivo de comunicação ligado a USB. A seguir será detalhado o funcionamento de cada parte do sistema Sistema de Aquisição de Dados Osistemadeaquisiçãodedadoséformadoporumabasedeacrílico,cincosensores dispostos conforme a recomendação da norma (Seção 2.2) e uma placa de controle. Nos pontos B, C, D, E, são utilizados sensores de temperatura do tipo MCP9808 (MICROCHIP, 2011) e na posição A um sensor integrado de temperatura e umidade do tipo SHT75 (SENSIRION, 2010b), a base de acrílico foi projetada de modo que o sensor central (ponto A) estivesse no centro do colchão da incubadora, os outros sensores estariam na posição correta. A Figura 2.14 mostra o projeto da base do sistema de aquisição de dados. Fixada na extremidade da base, próximo aos sensores das posições B e C, está a placa de controle do sistema de aquisição de dados. Esta placa dispõe de um microcontrolador do modelo PIC18LF2620 onde todos os sensores são conectados por meio de

37 32 Figura 2.14: Projeto da base do sistema de aquisição de dados da incubadora neonatal Fonte: Próprio Autor cabos. Os sinais gerados pelos sensores MCP9808 são lidos através do periférico de comunicação I2C do microcontrolador, cada sensor recebe um endereço entre 0 e 3. Já o sensor SHT75 tem sua saída em formato digital e enviado através de um protocolo de comunicação proprietário, por este motivo é ligado ao microcontrolador por meio de dois pinos de E/S. A placa de controle dispõe ainda de um rádio modelo MRF24J40MA por onde recebe requisições e envia as medidas de leituras dentro de um protocolo especificado para o sistema de software instalado no PC. Figura 2.15: Foto do sistema de aquisição de dados desenvolvido. (Detalhe: Sensor MCP9808) Fonte: Próprio Autor Dispositivo de Comunicação O dispositivo de comunicação atua como uma interface entre o sistema de aquisição de dados e o software instalado no PC. O dispositivo de comunicação repassa os comandos enviados pelo software via comunicação USB e encaminha este comando para o sistema de comunicação de dados via comunicação sem fio, assim como recebe as leituras

38 33 do sistema de aquisição de dados via rádio. Apesar de ser conectado a porta USB, convém observar que o dispositivo de comunicação é reconhecido pelo computador como uma porta de comunicação serial, facilitando assim seu uso pelo software de aquisição. Figura 2.16: Placa de interface de comunicação entre a placa de controle e o computador. Fonte: Próprio Autor Software de Aquisição O software de operação do sistema de ensaio foi escrito em MatlabRe é apresentado em uma interface gráfica de modo a facilitar a interação com o operador do ensaio. A interface desenvolvida (Figura 2.17) opera de dois modos: o primeiro modo mede a temperatura e umidade relativa interna da incubadora durante o intervalo de tempo selecionado no menu tempo de aquisição e o segundo modo realiza o teste de validação da incubadora baseado nos requisitos da norma. Figura 2.17: Layout da interface gráfica desenvolvida. Fonte: Próprio Autor Inicialmente o usuário deve selecionar a porta serial e a taxa de transferência de dados (baud rate). Em seguida seleciona-se o tempo de amostragem. Caso for realizar o