Universidade Federal de Minas Gerais Laboratório de Controle e Automação I Prof. Patrícia N. Pena - DELT Twin Rotor MIMO System (TRMS)

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1 Universidade Federal de Minas Gerais Laboratório de Controle e Automação I Prof. Patrícia N. Pena - DELT Twin Rotor MIMO System (TRMS) 1 Rotor Duplo (TRMS - Twin Rotor MIMO System) A unidade TRMS da Feedback [2] é um modelo simplificado de um helicóptero. As duas principais simplificações são: o TRMS está fixado em um torre; a posição e velocidade do helicóptero são controladas por meio da variação da velocidade do rotor. No helicóptero real, a velocidade do rotor é aproximadamente constante e a propulsão é variada pela modificação dos ângulos das lâminas do rotor. Mesmo com as simplificações, as características dinâmicas mais importantes de um helicóptero estão presentes no TRMS. Este é um modelo MIMO, com duas entradas (tensão aplicada aos rotores) e duas saídas (ângulos horizontal e vertical e velocidades angulares). 2 Descrição da Unidade TRMS A Unidade de Rotor Duplo consiste de, além de uma base e uma torre, um rotor principal (controle da posição vertical), um rotor de cauda (controle da posição horizontal) e um contra-peso. Figura 1: Unidade Mecânica do TRMS [2]. O sistema de controle é organizado de acordo com o diagrama esquemático da Figura 2. O computador com uma placa de aquisição de dados Advantech e os ambientes Matlab e Simulink são as unidades de controle principais. Os sinais de controle, com amplitude entre -2,5V e 2,5V são transferidos para a unidade de forma a funcionar os rotores.

2 Figura 2: Sistema de Controle [2]. A posição da haste é medida usando encoders digitais. A informação de posição é transferida para o PC por meio da unidade de interface, onde todas os algoritmos de controle estão implementados no ambiente Simulink. Do ponto de vista do Simulink, o TRMS é visto como o modelo apresentado na Figura 3. Figura 3: Modelo do Sistema [2]. 2.1 Controle por Computador O uso do MathWorks e do software da placa Advantech juntos permite fazer o projeto de sistemas de controle de forma simplificada. Não é necessário construir uma aplicação de tempo real a partir do início. Esta parte já está implementada. Pode-se projetar uma controlador no ambiente Simulink e usar o kernel de tempo real para executá-lo. O diagrama de controle digital é apresentado na Figura 4. O sistema possui quatro elementos principais: PC com um algoritmo de controle temporizado; conversores A/D e D/A - fazendo a interface entre o PC e o ambiente externo; processo; sensores. O algoritmo de controle e os conversores operam de acordo com os pulsos do relógio que definem o tempo de amostragem. O relógio gera uma interrupção e a ISR (interrupt service routine) é chamada. Durante a rotina ISR, o conversor A/D entrega uma representação discreta da medida enviada pelo sensor. Baseado na medida, o algoritmo de controle calcula o valor do sinal de controle. Ao final da ISR, o valor do sinal de controle é atualizado e enviado ao coversor D/A para ser aplicado no próximo instante de amostragem. Este esquema de controle é utilizado no TRMS mas nenhum sinal analógico é medido; somente medidas discretas dos encoders são retornadas. 2

3 Figura 4: Diagrama Completo do Sistema de Controle [2]. 3 Operação da Unidade TRMS Há um ícone (TRMS Simulink Models) na área de trabalho para os modelos em Simulink para simulação e controle da Unidade TRMS. A execução deste atalho abre o Matlab e a janela de Simulink apresentada na Figura 5. Figura 5: Modelos no Simulink [2]. Outra forma de abrir a janela apresentada na Figura 5 é navegando a partir do menu Start do Windows: Start menu All Programs Feedback Instruments Feedback Simulink Models. Ainda, de dentro do Matlab, acesse C:\Feedback\TRMS\Examples\Real-time models\. A janela apresentada na Figura 6 é aberta e os parâmetros da simulação já estão configura dos. Para fazer uma aplicação, sugere-se usar uma das aplicações existentes, modificando apenas o que for 3

4 necessário, sem nunca modificar os parâmetros de simulação. Os experimentos de simulação (abertos ao clicar a caixa: TRMS Simulation Models da Figura 5) podem ser usados como simulações de simulink normalmente. Por outro lado, os experimentos de tempo-real usam uma fonte externa (equipamento externo). Na Figura 6 apresenta-se uma aplicação de controle de arfagem (pitch) usando um PID. Figura 6: Controle de Posição [2]. Sempre que modificar uma aplicação existente, salve com outro nome. Sempre que for abrir o arquivo.mdl salvo com outro nome, faça-o a partir da janela apresentada na Figura 5, por meio do menu File Open... Para começar um novo projeto, a melhor forma de se fazer é utilizar uma aplicação já existente e remover o que estiver entre os dois principais blocos, o Feedback Encoder (saída do sistema) e o Feedback DAC (entrada do sistema), Figura 7. O Feedback encoder têm duas saídas, que são a posição em radianos nos dois planos perpendiculares. O Feedback DAC possui uma entrada, onde será aplicado o sinal de controle. Estes dois blocos não devem ser modificados. Figura 7: Blocos do Sistema [2]. Antes de executar a aplicação: - observe que o TRMS está em repouso, na posição inicial (encoder relativo); - observe que a área em torno do TRMS está livre. Para executar o controle em tempo real, a seguinte sequência deve ser respeitada. 1. Clique no botao incremental build (segundo botão à direita da caixa External, da Figura 6. 4

5 2. Conecte a aplicação com o cartão PCI1711 clicando o botão: connect to target da Figura 6 (botão à esquerda do campo onde está o número 100); 3. Ligue a unidade de TRMS (botão atrás da unidade externa) e aperte o botão verde START; 4. Posicione a haste manualmente e segure-a até o início da aplicação; 5. Inicie a aplicação clicando no botão: start real time code ( do lado esquerdo do botão connect to target). 4 Objetivos da Prática O objetivo desta prática é estudar o sistema TRMS, fazendo controle de arfagem (pitch). Para tanto, deve-se escolher uma região de operação (trabalhar preferencialmente em torno da posição em que o rotor se apresenta paralelo ao chão); obter modelo matemático para o sistema; propor estratégias de controle; testar o sistema de controle para várias entradas (degrau, rampa, senóide e etc). O relatório deverá cobrir os seguintes tópicos: 1. contextualização do problema; 2. procedimento para obtenção do modelo físico; 3. projeto e simulação do(s) controlador(es); 4. teste do(s) controlador(es) na planta; 5. utilizar como setpoint para o teste aquele do arquivo settrms.mdl, disponível no Moodle; 6. avaliação do desempenho do sistema controlado, utilizando algum índice de desempenho [1]. Todos os passos e suas motivações devem ser discutidos no relatório. 5 Informações relevantes O encoder do TRMS é relativo, ou seja considera como zero a posição em que a haste se encontra quando o experimento é iniciado. Referências [1] R. C. Dorf and R.H. Bishop. Modern Control Systems. Addison Wesley, 8th edition, [2] Feedback Instruments Ltd. TWIN ROTOR MIMO SYSTEM, Installation & Commissioning. Manual: IC, Ed 1,