Protótipo de um túnel de vento com Controle de Vazão e Temperatura em ambiente LabVIEW

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1 Protótipo de um túnel de vento com Controle de Vazão e Temperatura em ambiente LabVIEW "O kit de desenvolvimento do LabVIEW mostrou-se uma excelente alternativa em relação às outras ferramenta de desenvolvimento disponíveis, pois se trata de uma linguagem de alto nível de fácil aprendizagem e altamente eficiente em aplicações de controle por computador." - Henrique Vitkauskas Doria, Instituto Federal de São Paulo ( O desafio: Através do controle da velocidade de um cooler, o objetivo é manter o fluxo de vento no interior do protótipo de um túnel de acordo com o setpoint previamente estabelecido, fazendo o controle também da temperatura de uma lâmpada interna no túnel. A solução: A planta montada a partir de 2 coolers DC, quatro chapas de acrílico e uma lâmpada de automóvel, é controlada por computador, sendo que o sensor do fluxo de ar consiste na tensão gerada por um dos coolers. Para o controle da lâmpada, um circuito integrado LM35 atua como sensor de temperatura. Autor(es): Henrique Vitkauskas Doria - Instituto Federal de São Paulo ( Marius David Covelli Filho - Instituto Federal de São Paulo ( Renan de Freitas - Instituto Federal de São Paulo ( Resumo/Introdução Este trabalho apresenta a simulação e a validação da aplicação da técnica de controle PID em um experimento em que duas variáveis são controladas através de um programa LabVIEW e uma placa de aquisição de sinais NI USB-6212 ou utilizando um microcontrolador Arduino em conjunto com o Toolkit LIFA. As variáveis controladas são o fluxo do vento no interior do protótipo e a temperatura interna, que sofre o distúrbio devido à variação do fluxo de ar. A Planta A planta do sistema é apresentada na Figura 1. Utiliza 4 chapas de acrílico que formam o túnel, de dimensões. Nas extremidades, foram colocados dois coolers de computador. No interior do túnel, temos uma lâmpada de automóvel de 12V. Dessa forma, a planta possui como entradas as tensões aplicadas ao cooler e à lâmpada interna no túnel. A realimentação fica por conta da tensão gerada pelo cooler passivo, que funcionando como um gerador, fornece uma pequena tensão (de 0.8 até 1.4V) de acordo com a velocidade que o mesmo gira. A realimentação da temperatura da lâmpada é feita utilizando um circuito integrado LM35 que gera uma tensão proporcional à temperatura ambiente. Toda a planta é controlada por computador através de uma placa de aquisição de sinais e um programa desenvolvido na plataforma Labview. O diagrama em blocos do sistema é apresentado na Figura 2. Sistema de aquisição de dados baseado na placa NI USB 6212 Com a utilização da placa de aquisição NI USB 6212, pode-se receber as informações por meio das entradas digitais e analógicas disponíveis, além de gerar sinais de tensão e corrente através de suas saídas analógicas e digitais. Com isso, foi possível realizar o controle da velocidade do cooler ativo e a intensidade do brilho da lâmpada, influenciado na sua temperatura, utilizando um controlador PID na programação LabVIEW Controle da Velocidade dos Coolers Alimentava-se o cooler ativo com sua tensão nominal (no caso, 12V) e no seu fio de controle injetava-se a tensão proveniente da placa de aquisição de sinais, como dito anteriormente, entre 0,8 e 1,4V, onde uma tensão baixa de controle gerava sua baixa rotação e em 1,4V, o cooler funcionava com sua velocidade nominal. Essa tensão era determinada internamente pela programação, já que o cooler passivo, com fluxo de ar gerado pelo outro cooler, gerava uma tensão proporcional a sua velocidade. Tensão essa medida pela placa USB Com isso, o controle da velocidade do segundo cooler é possível graças ao controlador PID interno, determinando a tensão de referência gerada pelo cooler passivo dentro do setpoint do controlador e com isso, a variável controlada passa a ser a tensão de controle do cooler ativo, alterando a velocidade do cooler e consequentemente, o fluxo de ar interno. Controle da temperatura da lâmpada A partir da geração de tensão da placa de aquisição de sinais, desenvolveu-se um circuito de potência na configuração de um amplificador na configuração tipo A, pois a corrente gerada pela placa não é suficiente para regular a luminosidade da lâmpada. Logo, injeta-se a tensão gerada na base do amplificador, alterando-se assim a corrente que passa pelo emissor do transistor, realizando o controle de sua luminosidade. Com o sensor LM35 colocado próximo a lâmpada, pode-se medir a sua temperatura em diferentes intervalos de tempo. Sua temperatura é proporcional a tensão gerada pelo LM35, porém em mv. Assim, dentro da programação do LabVIEW, coloca-se um multiplicador para que seja lida a temperatura real do sistema. Com a temperatura desejada da lâmpada sendo o setpoint do sistema, colocou-se o pino de geração de sinais do LM35 na entrada analógica da placa 1/8

2 Com a temperatura desejada da lâmpada sendo o setpoint do sistema, colocou-se o pino de geração de sinais do LM35 na entrada analógica da placa de aquisição de sinais e de acordo com a tensão medida, gera-se um sinal proporcional à base do amplificador (variável controlada), controlando assim a luminosidade da lâmpada e, consequentemente, sua temperatura, através do controlador PID. Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é o algoritmo de controle mais usado na indústria e tem sido utilizado em todo o mundo para sistemas de controle industrial. A popularidade de controladores PID pode ser atribuída em parte ao seu desempenho robusto em uma ampla gama de condições de funcionamento e em parte à sua simplicidade funcional, que permite aos engenheiros operá-los de uma forma simples e direta. No LabVIEW é possível encontrar um bloco específico para esse controlador, a partir do Toolkit Control Design and Simulation. A partir do qual basta adicionar o controlador, fazer as ligações necessárias e ajustar os ganhos. Utilização do LIFA (LabVIEW Interface for Arduino) Além da placa de aquisição NI USB 6212, o ambiente LabVIEW possibilita o desenvolvimento do mesmo circuito de controle utilizando um hardware open-source, Arduino R3, para um desenvolvimento de baixo custo. Para realização desta tarefa, utilizou-se em conjunto com o LabVIEW o toolkit LIFA (LabVIEW Interface for Arduino). Com Arduino foram utilizados : - 2 entradas analógicas para leitura de Tensão do Cooler de Entrada e Tensão do LM35-2 saídas PWM para controlar a tensão aplicada no Cooler de Saída e na Lâmpada. Entrada de Dados Em uma das entradas analógicas temos a tensão gerada pelo cooler de saída definida como set-point do processo que será processada pelo controlador PID. Posteriormente o controlador enviará o sinal de saída para o controle de vazão ao entorno do túnel gerada pela aplicação de de um sinal PWM de 0 à 10V. Analogamente, o sinal de saída analógico do LM35 é analisado pelo controlador PID para o controle da tensão PWM que será aplicada à lâmpada dependendo de seu valor de set-point estabelecido no painel. Programação A programação em blocos utilizando-se do Toolkit LIFA assemelha-se à programação para a utilização na placa NI USB Primeiramente cria-se um bloco de inicialização com o Arduino e seus parâmetros de entrada. Posteriormente, definiram-se os tipos de variáveis a serem utilizadas e suas funções. Para o projeto, definiram-se pinos de entrada analógicos como entradas para leitura das tensões do cooler de entrada e da tensão gerada pelo LM35. Este último gera uma tensão em mili-volts, portanto utilizou-se de um bloco multiplicador para aumentar seu ganho 100 vezes para melhor visualização na instrumentação. Como saídas, foram definidas portas PWM do hardware para o controle das tensões no cooler de entrada e na lâmpada. Devido à limitação de saída do hardware ( 5V ) utilizou-se um circuito de potência para melhor atender a tensão de operação do cooler e da lâmpada que operam em plenitude em torno de 10V. Considerações Finais O kit de desenvolvimento do LabVIEW mostrou-se uma excelente alternativa em relação às outras ferramenta de desenvolvimento disponíveis: microcontroladores ou CLPs (controlador lógico programável) possuem interfaces com o usuário mais limitadas, além de ferramentas de programação e depuração menos amigáveis; além disso, a utilização de portas de entrada e saída analógicas geralmente necessitam de uma expansão do hardware. Verificamos, durante o processo de desenvolvimento, que se trata de uma linguagem de alto nível de fácil aprendizagem e altamente eficiente em aplicações de controle por computador. Outra vantagem dessa plataforma é a utilização desde dispositivos mais complexos para a aquisição de sinais, como a placa de aquisição NI USB 6212, até mesmo um microcontrolador comumente utilizado como o Arduino, com o auxílio do toolkit LIFA. Informações do autor: Henrique Vitkauskas Doria Instituto Federal de São Paulo ( Brasil 2/8

3 Figura 1- Protótipo 3/8

4 Figura 2 - Programação NIUSB 4/8

5 Figura 3 - Programação LIFA 5/8

6 Painel Frontal 1 6/8

7 Painel Frontal 2 7/8

8 Painel Frontal 3 Informações legais Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA NOS TERMOS DE USO DA NI.COM ( ( 8/8