PROJETO DIDÁTICO DE CONTROLADOR PID ANALÓGICO

PROJETO DIDÁTICO DE CONTROLADOR PID ANALÓGICO

 

João Luis Damasceno

UNOPAR, Cambé, Brasil, [e-mail]        

Leticia Gonçalves Tobias Santos

UNOPAR, Londrina, Brasil, [e-mail]

Lucas Eduardo Pereira Santos

UNOPAR, Londrina, Brasil, [e-mail]

Luiz Henrique Oliveira Souza

UNOPAR, Londrina, Brasil, [e-mail]

Vinicius Aparecido dos Santos

UNOPAR, Cambé, Brasil, [e-mail]        

Felipe Barreiro Postali (Professor Orientador)         

UNOPAR, Londrina, Brasil, [e-mail]

RESUMO

 

Sabe-se que o controle automático tornou os processos industriais mais eficientes e seguros, onde seu principal objetivo é manter as variáveis dos sistemas dinâmicos em valores pré-definidos. Visando o aprendizado em uma área bastante importante, que é o controle analógico, o presente trabalho tem como objetivo a elaboração de um projeto que apresenta fins didáticos para auxiliar os alunos no complemento de sua formação. A proposta deste trabalho enfatiza a criação de um sistema PID de controle analógico que terá como base amplificadores operacionais (AMP OP). O projeto será constituído de módulos montados em placas de circuito impresso e a implementação didática vai ser feita utilizando um servo motor acoplado a um mostrador que em conjunto com uma escala graduada indicará a posição, que é ajustada em um controle conforme desejado. Assim é facilmente possível introduzir distúrbios no sistema, mudando manualmente a posição do mostrador, visualizando o comportamento dinâmico do processo. 

PALAVRAS-CHAVE: Ensino de controle, Controle de processos, Controlador PID, Controle analógico, Modelagem.

  

1. INTRODUÇÃO

 

É muito comum que os alunos sintam dificuldade em entender o funcionamento de controladores apenas a partir de seus modelos matemáticos. A proposta deste projeto permite, de uma forma visual e interativa, demonstrar o funcionamento de um sistema de controle PID. Assim, é possível mostrar de maneira intuitiva, os conceitos envolvidos com as ações de controle proporcional, integral e derivativa (PID) antes da apresentação de suas funções matemáticas. O referido projeto ajudará a estimular os alunos na busca por conhecimento, e até mesmo incentivar alunos de outras áreas da engenharia a cursarem a disciplina como enriquecimento curricular.

O projeto consiste em modelar e montar um controle para um processo onde busca-se a posição exata de um servo-motor e que mesmo quando alterada por um distúrbio externo no sistema, consiga retornar para a pré-definida pelo usuário. O objetivo é estudar e entender o funcionamento e construção de um controle PID (Proporcional, Integral e Derivativo) com o uso da eletrônica para, didaticamente, demonstrar um exemplo prático provando que esse sistema é um dos mais utilizados justamente por ser funcional e responder com bons resultados no processo onde é aplicado.

O desenvolvimento de um sistema de controle envolve etapas como modelagem, simulação e o projeto do controlador. A determinação adequada do ajuste é feita por meio de modelagem e simulações, onde se leva em conta os parâmetros de performance do sistema, tais parâmetros são fortemente dependentes dos ajustes dos ganhos dos elementos que compõem o PID. A elaboração desse sistema de controlador PID analógico, terá como base amplificadores operacionais (AMP OP), que nada mais é do que um circuito integrado que além de amplificar sinais, pode fazer operações com eles, daí o nome operacional. São muito utilizados para implementar os blocos Proporcional, Derivativo e Integrador e no final um quarto bloco somador destinado a somar as saídas de cada bloco. O projeto será constituído de módulos montados em placas de circuito impresso, que a princípio serão cinco, isso trará vantagens não só para a montagem, mas também nos testes e na utilização uma vez que no conceito modular, pode-se utilizar os módulos em outras configurações.

 

1. METODOLOGIA

 

        Para atingir o proposto no projeto, foi necessário a pesquisa do tipo de servo motor que teria maior harmonia com o controle PID, que foi obtida através de consultas para determinação do melhor tipo em relação a desempenho, custo e facilidade de operação. Também foi necessário a determinação adequada do ajuste, que foi feita por meio de modelagem e simulações, onde levou-se em consideração os parâmetros de performance do sistema. Dessa maneira, foi necessário estruturar o projeto físico de forma que fosse o mais dinâmico e didático possível, dimensionar componentes para o uso no projeto físico, trabalhar com funções matemáticas para se obter o modelo do sistema e elaborar estudos do comportamento do controle através de software específico (MATLAB).  

 

1. FUNDAMENTÃÇÃO TEÓRICA

Por meio de algumas análises, decidiu-se utilizar a equação básica de um controlador PID, onde os três parâmetros são: o ganho proporcional , o tempo de integração , o tempo de derivação  e também as variáveis de ação externa,  sendo o sinal de controle e  o erro atuante. A combinação da quantidade de cada uma dessas três ações irá fazer com que o controlador em conjunto com a planta, forneçam uma resposta adequada a uma determinada variação na entrada. Dessa forma podemos escrever o estado de saída do controlador PID em função de sua entrada pela equação:[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5][pic 6]

                                                                                               (1)[pic 7]

                        O controlador apresentado permite a utilização da ação derivativa no sinal de realimentação, o que torna possível a verificação na prática da diferença causada por esta mudança. Já a ação integral é utilizada basicamente para corrigir erros em regime estacionário, por este motivo, não é sempre necessário utilizar esta ação no regime transitório. Para o implemento destas ações será utilizado Amplificadores Operacionais na configuração de amplificador inversor, como mostrado na figura abaixo: