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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAESCOLA POLITÉCNICA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DECONTROLE E AUTOMAÇÃO DE PROCESSOS

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA SUPERVISÓRIO PARAO KIT DIDÁTICO ROTARY FLEXIBLE LINK

Bráulio Campos Peixoto Filho

Salvador - Bahia2017

Bráulio Campos Peixoto Filho

DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMASUPERVISÓRIO PARA O KIT DIDÁTICO ROTARY

FLEXIBLE LINK

Trabalho apresentado ao curso de Graduaçãoem Engenharia de Controle e Automação deProcessos da Universidade Federal da Bahiacomo parte dos requisitos para obtençãodo título de Engenheiro de Controle eAutomação.

Universidade Federal da Bahia – UFBA

Departamento de Engenharia Química

Engenharia de Controle e Automação de Processos

Orientador: Dr. Márcio André Fernandes Martins

Salvador - Bahia2017

Dedico este trabalho aos meus pais, irmãs e amigos,por sempre estarem comigo em todos os momentos e me incentivarem nessa trajetória.

Agradecimentos

Agradeço a Deus.

Agradeço aos meus pais, por me incentivarem e apoiarem em todos os momentos.

As minhas irmãs, por estarem sempre presentes.

Agradeço ao meu orientador, Márcio Martins, por todos os conselhos, pela paciênciae ajuda nesse período.

Aos meus amigos por me apoiarem.

Aos professores Karla Esquerre, Márcio Martins e Marcus Americano por enrique-cerem o curso de engenharia de controle e automação de processos, com novas ideias enovos métodos de ensino.

Agradeço a Tatiana Moura, por seus conselhos e ajuda para enriquecer este trabalho.

Agradeço a Odilon, por abrir as portas do laboratório de controle no CTAI.

“Quando a ignorância é felicidade,é loucura ser sábio.”

(Thomas Grace)

ResumoEste trabalho propõe desenvolver um sistema supervisório, por meio da plataforma Elipse,do kit didático Rotary Flexible Link disponível no laboratório de controle do CTAI (Centrode Capacitação Tecnológica em Automação Industrial). Foi testada a técnica de controleLQR, disponibilizada pela fabricante do kit, que atua na atenuação das vibrações na pontada haste metálica. O controlador lógico programável, programado em linguagem Ladder,foi utilizado, principalmente, como um sistema de aquisição de dados, estabelecendo acomunicação através do protocolo OPC, entre o kit e o sistema supervisório. Foi realizada amodelagem do kit didático e a validação do modelo. Os resultados da aplicação do sistemasupervisório demonstraram ser eficientes e confiáveis, por meio da visualização dos dadosdo sistema, como os gráficos e os critérios de desempenho, e a modificação dos parâmetrosdo controlador LQR e do setpoint, em uma única tela.

Palavras-chaves: rotary flexible link, OPC, Elipse, sistema supervisório, controle LQR

AbstractThis work proposes to develop a supervisory system, through the Elipse platform, of theRotary Flexible Link learning kit available in the control laboratory at CTAI (Center ofTechnologic Capacity in Industrial Automation). The LQR control technique provided bythe kit manufacturer, which acts on the attenuation of the vibrations at the tip of the metalrod, was tested. Furthermore, the programmable logic controller, programmed in Ladderlanguage, was mainly used as a data acquisition system, establishing communicationthrough the OPC protocol, between the kit and the supervisory system. It was carried outmodeling of the teaching kit and model validation. The results of the application of thesupervisory system proved to be efficient and reliable, by visualizing the system data, suchas graphs and performance criteria, and modifying the parameters of the LQR controllerand the setpoint, in a single screen.

Keywords: rotary flexible link, OPC, Elipse, supervisory system, LQR control.

Lista de ilustrações

Figura 1 – Flexgage acoplado ao SRV02 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 2 – Imagem aproximada do Strain Gage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 3 – Servo Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 4 – Módulo de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Figura 5 – Placa Q8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Figura 6 – Controlador Lógico Programável, modelo CompactLogix 1769 . . . . . . 19Figura 7 – Diagrama de blocos - IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 8 – Planta esquemática do Rotary Flexible Link . . . . . . . . . . . . . . . 21Figura 9 – Circuito do Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Figura 10 – Espaço de estados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 11 – Diagrama de blocos para validação do sistema . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 12 – Validação do modelo em malha aberta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 13 – Sintonia do LQR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Figura 14 – Blocos da biblioteca OPC do Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 15 – Interface do programa RSLinx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 16 – Variáveis criadas no RSLogix 5000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 17 – Integração entre CLP, Matlab e IHM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Figura 18 – Ambiente de desenvolvimento do software Elipse . . . . . . . . . . . . . 38Figura 19 – Tagnames do Supervisório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 20 – Botão, displays de ajuste numéricos e indicadores numéricos do sistema

Supervisório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Figura 21 – Passos necessários para a criação de aplicações no CLP e sistema de

supervisão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 22 – Lógica de funcionamento do botão parar no simulink . . . . . . . . . . 41Figura 23 – Lógica de funcionamento do setpoint no simulink . . . . . . . . . . . . 41Figura 24 – Lógica de funcionamento do parâmetros do controlador no simulink . . 41Figura 25 – Subrotina e lógica para o botão parar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 26 – Atribuição dos valores Q, R e setpoint ao iniciar-se o RsLogix 5000 . . 42Figura 27 – Tela do supervisório desenvolvido no Elipse . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 28 – Supervisório com controle LQR com resultado satisfatório . . . . . . . 44Figura 29 – Supervisório com controle LQR com resultado não satisfatório . . . . . 44Figura 30 – Supervisório com mudança de setpoint de 30 para 10 . . . . . . . . . . 45

Lista de tabelas

Tabela 1 – Componentes do Rotary Flexible Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Tabela 2 – Parâmetros do kit da Quanser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Tabela 3 – Comparação de desempenho do controle LQR . . . . . . . . . . . . . . 34

Lista de abreviaturas e siglas

IHM Interface Homem - Máquina

CLP Controlador Lógico Programável

CTAI Centro de Capacitação Tecnológica em Automação Industrial

CC Corrente Contínua

IEC International Electrotechnical Commision

USB Universal Serial Bus

SRV02 Rotary Servo Base Unit

UFBA Universidade Federal da Bahia

LQR Regulador Linear Quadrático (do inglês Linear Quadratic Regulator)

SCADA Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados

Lista de símbolos

θ Ângulo do servomotor

α Ângulo da haste flexível

Ks Rigidez da haste flexível

Jeq Momento de inércia do eixo de carga

Jl Momento de inércia da haste

τl Torque

Blink Amortecimento viscoso

Beq Coeficiente de viscosidade

ηm Eficiência do motor

ηg Eficiência das engrenagens

Kt Constante do torque do motor

Km Constante eletromagnética

Kg Ganho das engrenagens

Rm Resistência do circuito do motor

Vm Tensão de entrada no motor

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.1 Contextualização Histórica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.2 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3 Objetivos do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.4 Estrutura do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1 Descrição dos componentes do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.1 Rotary Flexible Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.1.2 Servo Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1.3 Módulo de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.4 Placa de Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.5 Plataforma Computacional - QUARC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2 Descrição do CLP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.1 Linguagem Ladder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Protocolo OPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.3 Interface Homem-Máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.3 Modelo do Rotary Flexible Link . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1 Modelagem Matemática do módulo Flexible Link . . . . . . . . . . . . . . 212.3.2 Modelagem Matemática do Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3.3 Combinação das Equações Elétricas e Mecânicas do Servomotor . . . . . . 262.3.4 Representação do Modelo em Espaços de Estado . . . . . . . . . . . . . . 272.3.5 Controlabilidade do Sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3 CONTROLE DO SISTEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.1 Validação do Modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.2 Controle LQR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 PROJETO DO SUPERVISÓRIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.1 Integração entre CLP, Matlab®/Simulink e sistema SCADA . . . . 354.2 Desenvolvimento do Sistema Supervisório . . . . . . . . . . . . . . . 37

Conclusão e Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12

1 Introdução

1.1 Contextualização HistóricaA comunicação se inicia com uma linguagem, a habilidade na qual se tornou possível

a evolução da sociedade humana (GASCOIGNE, 2005). Com uma linguagem, qualquermensagem, não importando a sua complexidade, pode ser transmitida entre pessoas emum espaço delimitado, como também em uma rede de computadores. Genericamente,linguagem é um meio de transmissão de informações entre dois ou mais elementos comcapacidade de se comunicarem.

Nos primeiros anos das redes de computadores, a comunicação física entre com-putadores foi somente possível pela combinação dos protocolos TCP e IP(STANARD,1998). A partir de 1960, a universalização dos computadores nos meios industriais, tal qualo Controlador Lógico Programável (CLP), criado em 1968, e mais tarde, computadoresacessíveis ao público em geral, tornou possível a comunicação e integração entre diferentesdispositivos.

Os primeiros CLPs, desenvolvidos a partir de uma demanda existente na indústriaautomobilística norte-americana, tinham um conjunto de instruções reduzido, normalmenteapenas condições lógicas e não possuíam entradas analógicas, podendo manipular somenteaplicações de controle digital (discreto) (FRANCHI; CAMARGO, 2010). Com o passardos anos, no entanto, o CLP tornou-se bem mais complexo, podendo executar controle dotipo PID e conectar a um supervisório central, o qual gerencia as diversas informações dosistema controlado.

Os sistemas supervisórios, que são conhecidos como Interface Homem Máquina(IHM) ou Controle Supervisório e Aquisição de Dados (SCADA), iniciaram-se com interfacesbem simples e, consequentemente, funções dedicadas amadureceram e mudaram em poucasdécadas para tornar-se possivelmente a maior influência no meio industrial atualmente.

O controle automático, particularmente a aplicação do feedback, foi fundamentalno desenvolvimento da automação. Sua origem está no controle de nível, relógio de água,e pneumáticos ou hidráulicos do mundo antigo(BISSEL, 2009). Outrora, no final do séculoXIX, durante a Revolução industrial, foram desenvolvidos os primeiros sistemas de controleautomático. As funções de controle eram implementadas por engenhosos dispositivosmecânicos, os quais automatizavam algumas tarefas críticas e repetitivas das linhas demontagem da época (FRANCHI; CAMARGO, 2010).

Capítulo 1. Introdução 13

1.2 MotivaçãoNo meio industrial, a competitividade, produtividade e qualidade da produção e

serviços são fatores importantes que ajudam as empresas a ganhar mercado. Em parte,estes fatores são atingidos com uso de tecnologias que aumentam a eficiência dos sistemas.A automação releva-se como uma ferramenta importante para atingir os objetivos que omercado exige e, entre as diversas tecnologias de automação, estão os sistemas SCADA.

Os sistemas SCADA, geralmente chamados de sistemas supervisórios, não são res-tritos apenas às indústrias. Além das aplicações industriais tradicionais que compreendemautomação de processos contínuos, bateladas e manufatura, os sistemas SCADA tambémpodem ser aplicados em kits didáticos. O uso de laboratórios como veículos de integraçãoentra a teoria e a prática, como o laboratório de controle do Centro de CapacitaçãoIndustrial (CTAI) da Universidade Federal da Bahia (UFBA), propiciam um ambientefavorável para a simulação e validação de técnicas provenientes da teoria de controle(clássico e avançado) em kits educacionais que ajudam a descrever possiveis problemas decontrole em ambiente real, como os kits rotary flexible link, ball and beam e o 2 DOF ballbalance, da fabricante Quanser.

Ao manusear-se o kit didático rotary flexible link, supõe-se que tenha um sistema desupervisão intuitivo e agradável de usar. Desta forma, um grande motivador foi o desafiode desenvolver um sistema supervisório para que o usuário, da graduação das engenharias,pudesse analisar e avaliar o sistema em questão em uma única interface gráfica, trazendomaior conhecimento, qualidade, eficiência e confiabilidade à operação do kit.

No intuito de favorecer a assimilação do conhecimento adquirido em aulas teóricasda graduação em engenharia de controle e automação de processos, utilizou-se o laboratóriode controle disponível no CTAI, visando a utilização do kit didático, Rotary Flexible Link,da fabricante Quanser, para o desenvolvimento de um sistema de supervisão, por meio daplataforma Elipse, para o controle LQR, além da modelagem, simulação e validação dosistema eletromecânico, utilizando um CLP como um sistema de aquisição de dados.

O sistema Rotary Flexible Link é largamente aplicado em várias áreas da engenharia,tal como na asa de aviões, no aeroespaço e na elaboração de braços robóticos. Devidoas suas características de baixa energia, é bastante empregado em ambientes onde adisponibilidade da fonte de energia é limitado, como na exploração do espaço (TIJANI etal., 2011).

Em outros trabalhos, valendo-se do kit Rotary Flexible Link da Quanser, comoo de Nikpay e Shoorehdeli (2011), em que consiste na aplicação de dois esquemas decontrole neuro-fuzzy, o qual é a técnica da combinação das técnicas de fuzzy e redesneurais, chamados PD like e controlador fuzzy distribuído, em que uma comparação éfeita mostrando a robustez de cada controlador. Enquanto que Castro e Souza (2010),

Capítulo 1. Introdução 14

investigaram a robustez e a performance na abordagem no domínio do tempo do métodolinear quadrático gaussiano (LQG) e a abordagem no domínio da frequência da técnicaH-infinito, comparando ambas as técnicas de controle, e também demostrando as vantagense desvantagens de cada método.

Diante deste contexto, este trabalho apresenta como tema principal o desenvol-vimento de um sistema de supervisão, para o controle LQR, do kit rotary flexible link,tendo o CLP como um sistema de aquisição de dados e a comunicação realizada atravésdo protocolo OPC.

1.3 Objetivos do trabalhoO objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema de supervisão

(supervisório) do sistema Rotary Flexible Link, disponível no CTAI.

Para isto, as metas específicas se fazem necessárias:

• Realizar a comunicação do sistema Rotary Flexible Link com o CLP através doprotocolo OPC;

• Testar a estratégia de controle avançado (LQR);

• Desenvolver uma interface gráfica amigável para o sistema através da plataformaElipse.

1.4 Estrutura do trabalhoA estrutura do presente trabalho está dividida da seguinte maneira.

• O segundo capítulo aborda a fundamentação teórica do trabalho, como descrição doscomponentes da bancada, descrição do CLP e a modelagem matemática do RotaryFlexible Link.

• No terceiro capítulo é demonstrado a validação do modelo e o controle LQR dosistema.

• O quarto capítulo apresenta o projeto de interface gráfica, desenvolvido no softwareElipse.

• No quinto capítulo são apresentadas as conclusões obtidas sobre o trabalho proposto.

15

2 Fundamentação Teórica

O sistema Rotary Flexible Link, Figura 1 consiste de uma haste metálica flexível,no formato de um régua, cuja haste pode rotacionar-se no plano horizontal. A finalidadedo sistema Rotary Flexible Link é minimizar a vibração na ponta da haste que aparecedevido a elasticidade da mesma. A medição da deformação da haste é realizada através deum extensômetro posicionado na base da haste. Há também um encoder no servo-motor,que realizará a leitura da posição angular do motor.

O CLP, programado em linguagem Ladder, foi utilizado como um sistema deaquisição de dados, estabelecendo a comunicação, através do protocolo OPC (do inglês,Ladder Diagram), entre o kit didático e o sistema supervisório, desenvolvida na plataformaElipse.

Perante o exposto, este capítulo apresenta a descrição dos componentes sistema,do CLP e o desenvolvimento do modelo matemático do Rotary Flexible Link, assimcomo a representação do modelo do sistema em espaços de estados e a verificação dacontrolabilidade do sistema.

2.1 Descrição dos componentes do sistemaA Quanser é uma empresa que se concentra unicamente no desenvolvimento de

controle, através da criação de kits didáticos voltados ao ensino e pesquisa de controle,robótica e mecatrônica.

O kit didático rotary flexible link, desenvolvido pela Quanser, emprega o Matlab®como responsável pelo processamento de dados e comandos de controle, o amplificador depotência VoltPAQ-X1 para a amplificação e redução dos ruídos e a placa Q8-USB paraaquisição de dados.

O diagrama da Figura 1 indica cada componente do equipamento, como tambéma Figura 2, de uma maneira mais aproximada. Dessa forma, todos os componentes sãoidentificados segundo a Tabela 1.

2.1.1 Rotary Flexible Link

O kit didático Rotary Flexible Link é constituído pelos seguintes componentes:

• Haste do Rotary Flexible Link;

• Pente de Calibração;

Capítulo 2. Fundamentação Teórica 16

Tabela 1 – Componentes do Rotary Flexible Link

ID Componente1 Servormotor SRV022 Módulo do Flexgage3 Haste do Flexgage4 Extensômetro5 Circuito do Extensômetro6 Parafusos7 Conector do Sensor8 Offset do potenciômetro9 Ganho do potenciômetro

Figura 1 – Flexgage acoplado ao SRV02

Figura 2 – Imagem aproximada do Strain Gage

• Base de calibração;

• Um servo motor (SRV02).

2.1.2 Servo Motor

O servo motor, mostrado na Figura 3, é um componente indispensável na maioriados kits da Quanser, que é chamado de SRV02 (do inglês Rotary Servo Base Unit), e é


composto de um motor de corrente contínua (CC) que é envolto em uma estrutura dealumínio e equipado com um conjunto de engrenagens. A unidade básica do SRV02 contémum potenciômetro, que é utilizado para medir a posição angular de saída, e também umtacômetro, que mede a velocidade do motor (QUANSER, 2010).

Figura 3 – Servo Motor

2.1.3 Módulo de Potência

O módulo de potência (Quanser VoltPAQ - X1 ), que pode ser observado naFigura 4, é o amplificador de corrente utilizado para acionar o motor do equipamento.Os sinais de controle que o módulo recebe, já processados e provenientes do Matlab®,são enviados para a placa de aquisição de dados, Q8-USB, e em decorrência, ocorrerá aamplificação da saída de tensão para atuar no servomotor.

Figura 4 – Módulo de Potência


2.1.4 Placa de Aquisição de Dados

O Q8-USB, Figura 5, é uma solução ideal para sistemas de controle e que utilizauma conexão USB como forma de comunicação entre o computador e o kit didático, alémde oferecer a simulação do kit em tempo real. Uma grande variedade de dispositivos comsensores digitais e analógicos, bem como encoders, são facilmente conectados a placa (Q8).

Figura 5 – Placa Q8

2.1.5 Plataforma Computacional - QUARC

O software Quarc, disponibilizado pela fabricante Quanser, incrementa ferramentase capacidade para o software Matlab®/Simulink para fazer o desenvolvimento e implantaçãode sofisticadas sistemas mecatrônicos em tempo real, e a aplicação de controle maiscompreensíveis.

A comunicação entre o ambiente computacional e os equipamentos do RotaryFlexible Link é executada por intermédio do software Matlab®/Simulink, em tempo real,juntamente com o software Quarc.

2.2 Descrição do CLPDe acordo com a International Electrotechnical Commision (IEC), o CLP é definido

como um sistema eletrônico operando digitalmente, projetado para uso em ambienteindustrial, que usa uma memória programável para armazenagem interna de instruçõesorientadas para o usuário para implementar funções específicas, tais como lógica, sequencial,


temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de entradas e saídas digitaisou analógicas, vários tipos de máquinas ou processos. O controlador programável e seusperiféricos associados são projetados para serem facilmente integráveis em um sistema decontrole industrial e facilmente usados em todas sus funções previstas.

O CLP, modelo CompactLogix 1769, desenvolvido pela Rockwell Automation, comopode ser observado na Figura 6, oferece um sistema pequeno, de custo otimizado, quepossui as seguintes características, de acordo com (MANUAL DO USUÁRIO, 2013):

• Software de programação;

• Portas de comunicação integradas redes EtherNet/IP;

• Uma porta serial incorporada;

• Módulos E/S analógica e digital, do tipo compacto.

Figura 6 – Controlador Lógico Programável, modelo CompactLogix 1769

Além do mais, a linguagem Ladder será utilizado neste trabalho, sendo a mesmaabordada na subseção 2.2.1, bem como, o protocolo OPC (do inglês, OLE for ProcessControl) na subseção 2.2.2 e o sistema de supervisão, na subseção 2.2.3.

2.2.1 Linguagem Ladder

O nome deriva do inglês Ladder (escada de degraus), pelo formato particular darepresentação. É usualmente denominado "esquema de contatos"(PRUDENTE, 2007).É uma linguagem relativamente de fácil entendimento, devido a ser composta por umasérie de sinais gráficos baseada na lógica de relés e contatos elétricos para a realização deacionamentos. Por ser a primeira linguagem utilizada pelos fabricantes, é a mais difundidae encontrada em quase todos os CLPs (FRANCHI; CAMARGO, 2010). O software RSLogix5000, da fabricante Rockwell, será o programa utilizado para o desenvolvimento da lógicade programação do CLP.


2.2.2 Protocolo OPC

O protocolo OPC é utilizado para responder a um dos maiores desafios da áreade automação: como comunicar dispositivos, controladores, ou aplicativos de diferentesfabricantes, em tempo real, sem a necessidade de uso de drivers proprietários(KOMINEK,2009). O protocolo funciona como uma camada abstrata que está entre a aplicação querecebe os dados e outra que envia os dados, permitindo ambos trocarem informaçõessem ter conhecimento um do outro e, por exemplo, é o que acontece entre o CLP e osupervisório.

2.2.3 Interface Homem-Máquina

A interface homem-máquina (IHM) pode ser denominado como uma interface gráficaque permite a interação entre o usuário e o equipamento. Como o IHM é consideradoum termo amplo, existe uma vasta gama de equipamentos, tais como computadoresindustriais, MP3 players, entre outros, que podem ser conceituados como IHM (ANAHEIMAUTOMATION, 2012). No entanto, um IHM é muito mais específico para manufaturae controle de processos, já que o mesmo fornece uma representação visual do sistema decontrole e proporciona aquisição dos dados em tempo real. O programa Elipse, que é umapoderosa ferramenta para o gerenciamento de processos, em tempo real, será empregadapara o desenvolvimento do IHM.

Figura 7 – Diagrama de blocos - IHM

Na Figura 7, representa-se, de uma maneira simplificada, a entrada de um deter-minado valor no IHM, ou sistema supervisório, e por conseguinte, o CLP enviará essesinal para a plataforma computacional, Quarc, e esse processará o sinal juntamente com oMatlab/Simulink, e por último, o servomotor receberá o sinal e atuará, realizando umarotação horizontal, que provocará um ângulo de deflexão na haste flexível.


2.3 Modelo do Rotary Flexible LinkO sistema, apresentado na seção 2.1, consiste de um sistema eletromecânico. Desta

forma, a modelagem matemática do Rotary Flexible Link será dividida em duas etapas, ouseja, a modelagem matemática do módulo Flexible Link e a modelagem do motor (SRV02).

2.3.1 Modelagem Matemática do módulo Flexible Link

Inicialmente, no lugar de utilizar a mecânica clássica, modelou-se o Flexible Link apartir das equações de Euler-Lagrange, que é equivalente à lei de Newton do movimento.Segundo Hogenboom (2016), as equações de Euler-Lagrange são exploradas para analisardiversos tipos de sistemas, desde o formato de uma bolha num prato de sopa até a trajetóriade um foguete no espaço, bem como robôs com múltiplas articulações.

O modelo esquemático do Rotary Flexible Link é mostrado na Figura 8, onde oângulo do servomotor é θ(t) e o ângulo da haste flexível é α(t).

Figura 8 – Planta esquemática do Rotary Flexible Link

Na equação 2.1, o ângulo de saída é representado por y(t), que é a soma do ângulodo servomotor com o ângulo da haste flexível, respectivamente.

y(t) = θ(t) + α(t) (2.1)

As energias totais cinética e potencial são necessárias para o cálculo do sistemade Lagrange. Portanto, considerando-se a energia potencial gravitacional irrelevante, aenergia potencial total do sistema é somente devido a elasticidade da haste flexível, logo,tem-se:

Ve = 12Ksα

2(t) (2.2)

Em que Ks é a rigidez da haste flexível.

Já a energia cinética, que é devida a rotação da base e da haste, são chamadasde energia rotacional e translacional, respectivamente. A energia translacional pode ser


expressa como:Tr1 = 1

2Jeqθ2 (2.3)

Em que Jeq é o momento de inércia do eixo de carga.

Enquanto que a energia rotacional, pode ser escrita da seguinte maneira:

Tr2 = 12Jl(θ + α)2 (2.4)

Em que Jl é o momento de inércia da haste.

Somando-se a energia cinética rotacional e translacional, encontra-se a energiacinética total do sistema, que será explorada, posteriormente, na equação de Lagrange:

TT = 12Jeqθ

2 + 12Jl(θ + α)2 (2.5)

O método de Lagrange é utilizado para encontrar as equações do movimento. Sendoassim, a equação de Lagrange é descrita como:

∂

∂t

(∂L

∂qi

)− ∂L

∂qi= Qi (2.6)

Em que Qi é chamado de forças generalizadas, que são usadas para descrever as variáveisde estado. Desta forma, para esse sistema, tem-se:

q(t)T = [θ(t)α(t)] (2.7)

As variáveis de estado correspondem as coordenadas generalizadas, que são o torque(τl) e o amortecimento viscoso (Blink). À vista disso, a variável de estado (θ) atuando norotary arm é:

Qθ = τL −Beqθ (2.8)

Em que Beq é o coeficiente de viscosidade. E atuando na haste será:

Qα = Blinkα (2.9)

Desta forma, com as coordenadas generalizadas definidas, as equações de Lagrangepara esse sistema são:

∂

∂t

(∂L

∂θ

)− ∂L

∂θ= τL −Beq

dθ

dt(2.10)


∂

∂t

(∂L

∂α

)− ∂L

∂α= 0 (2.11)

Em que considera-se Blink nulo.

O Lagrangeano do sistema é descrito por:

L = T − V (2.12)

Em que T é a energia cinética total e V é a energia potencial total do sistema.

Substituindo-se T e V , respectivamente, tem-se:

L = 12Jeqθ

2 + 12Jl

(θ + α

)2− 1

2Ksα2(t) (2.13)

Calculando-se as derivadas da equação 2.10, a partir da equação 2.13,

∂L

∂θ= Jeqθ + Jl

(θ + α

)(2.14)

∂

∂t

(∂L

∂θ

)= Jeqθ + Jl

(θ + α

)(2.15)

∂L

∂θ= 0 (2.16)

E determinando-se, do mesmo modo, as derivadas da equação 2.11, valendo-se daequação 2.13,

∂L

∂α= Jl

(θ + α

)(2.17)

∂

∂t

(∂L

∂α

)= Jl

(θ + α

)(2.18)

∂L

∂α= −Ksα (2.19)

Assim sendo, as equações que retratam o sistema são:

Jeqθ + Jl(θ + α

)= τL −Beqθ (2.20)

Jl(θ + α

)+Ksα = 0 (2.21)


2.3.2 Modelagem Matemática do Motor

A modelagem do motor, abordada nesta seção, é fundamental para o entendimentodo kit didático. Para obter-se o modelo do referido motor, recorreu-se as equações daQuanser, disponíveis no workbookQuanser (2010) do servomotor.

Na Figura 9, pode ser visto o esquema do circuito do servomotor, assim como, osistema de engrenagens.

Figura 9 – Circuito do Servomotor

A tensão eletromotriz, eb, que depende da velocidade angular (wm) e da constanteeletromagnética do motor, km, é dada por:

eb = kmwm (2.22)

Empregando-se a Lei de Kirchoff, que estabelece que, em qualquer instante, a somaalgébrica das tensões é nula, ao longo da malha, obtém-se a equação elétrica do motor:

Vm −RmIm − LmdImdt

− eb = 0 (2.23)

Em que Vm é a tensão de entrada no motor, Rm a resistência do motor, Im a corrente docircuito e, Lm, a indutância da bobina.

Substituindo-se a equação 2.22 na equação 2.23, tem-se:

Vm −RmIm − LmdImdt

− kmwm = 0 (2.24)

Considerando-se a indutância do motor (Lm) muito menor do que a resistência,Rm, a indutância pode ser desprezada. Então, a equação 2.24 passar a ser:

Vm −RmIm − kmwm = 0 (2.25)


Rearrumando-se a equação 2.25 e isolando-se o termo Im,

Im = Vm − kmwmRm

(2.26)

Agora, demostrando-se o comportamento mecânico do motor, sendo que o servo-motor (SRV02) possui um grau de liberdade, aplica-se a segunda Lei de Newton, que podeser observada na equação:

Jw = τ (2.27)

Em que J é o momento de inércia, w é a aceleração angular e τ é a soma de todos ostorques atuando no corpo. A equação de carga do movimento, do qual Jl é o momento deinércia do motor e τl é o torque total aplicado ao eixo de carga, é dado por:

Jlwl +Blwl = τl (2.28)

O torque, τm, aplicado no motor, é:

Jmwm +Bmwm + τml = τm (2.29)

Sendo que Jm é o momento de inércia do motor, τml é o torque resultante aplicadono eixo do motor através das engrenagens e Bm é o coeficiente de viscosidade. O torqueaplicado no eixo de carga, em que ηg é a eficiência do trem de engrenagens e Kg é a relaçãoentre as engrenagens, pode ser escrito como:

τl = ηgKgτml (2.30)

As engrenagens superpostas no motor SRV02 são representadas por N1 e N2, que éa relação do conjunto interno de engrenagens, e é dada por:

Kgi = N2

N1(2.31)

Enquanto que as engrenagens N4 e N3 são montadas no eixo de carga e podemser visíveis, como pode ser observado na Figura 3, e formam o conjunto externo deengrenagens, tem-se:

Kge = N4

N3(2.32)


Assim, a relação do trem de engrenagens é:

Kg = KgeKgi (2.33)

O torque resultante aplicado no eixo do motor é dado como:

τml = τlηgKg

(2.34)

Assim, o eixo do motor deve girar Kg vezes para que o eixo de saída complete umgiro, onde θm é o ângulo de giro do motor e θl é o ângulo de giro do eixo de carga, entãotem-se:

θm = Kgθl (2.35)

A relação entre a velocidade angular do eixo do motor, wm, e a velocidade angulardo eixo de carga, wl, é:

wm = Kgwl (2.36)

Substituindo-se as equações 2.28, 2.34 e 2.36 em 2.29 e rearrumando-se, obtém-se:

(ηgK2gJm + Jl)

dwl(t)dt

+ (ηgK2gBm +Bl)wl(t) = ηgKgτm(t) (2.37)

Considera-se o momento de inércia equivalente do motor, Jeq, como:

Jeq = ηgK2gJm + Jl (2.38)

E o coeficiente de viscosidade equivalente, Beq:

Beq = ηgK2gBm +Bl (2.39)

Portanto, a equação mecânica do motor é:

Jeqdwl(t)dt

+Beqwl = ηgKgτm(t) (2.40)

2.3.3 Combinação das Equações Elétricas e Mecânicas do Servomotor

Nesta última etapa, será relacionado a parte elétrica com a parte mecânica doservomotor, para obter-se a expressão que representa a velocidade do eixo de carga,aplicando-se a tensão como a entrada do motor.


O torque do motor é proporcional a tensão aplicada, então tem-se:

τm(t) = ηmktIm(t) (2.41)

Onde kt é a constante de proporcionalidade do torque e ηm a eficiência do motor.

Substituindo-se as equações 2.26 e 2.36 em 2.41, encontra-se:

τm(t) = ηmkt(Vm − kmKgwl(t))Rm

(2.42)

Utilizando-se a equação 2.40 com a equação 2.42, alcança-se:

(d

dtwl(t)

)Jeq +

(kmηgK

2gηmkt

Rm

+Beq

)wl(t) = ηgKgηmktVm(t)

Rm

(2.43)

Rearrumando-se, obtém-se o coeficiente de amortecimento e o ganho do motor,respectivamente, que são dados por:

Beq,v =ηgK

2gηmktkm +BeqRm

Rm

(2.44)

Am = ηgKgηmktRm

(2.45)

Finalmente, chega-se a equação linear do motor:

Jeqwl +Beq,vwl(t) = AmVm(t) (2.46)

2.3.4 Representação do Modelo em Espaços de Estado

Com o advento da exploração espacial, os requisitos para os sistemas de controleaumentaram em escopo. Modelar sistemas através de equações diferenciais lineares einvariantes no tempo e subsequentemente através de funções de transferência se tornouinadequado. A abordagem do espaço de estados é um método unificado para modelar,analisar e projetar uma vasta variedade de sistemas (NISE, 2007). Sistemas variantes notempo (por exemplo, mísseis com variação do nível de combustível, ou a sustentação deuma aeronave voando através de uma grande faixa de altitudes) podem ser representadospor espaço de estados.

As equações de estado e de saída, respectivamente, podem ser escritas na formavetorial-matricial, sendo assim:

x = A(t)x(t) +B(t)u(t) (2.47)


y = C(t)x(t) +D(t)u(t) (2.48)

Em que x é a derivada do vetor de estado em relação ao tempo, x é o vetor deestado, y é o vetor de saída e u o vetor de entrada. Enquanto que A, B, C e D são amatriz do sistema, matriz de entrada, matriz de saída e a matriz de transmissão direta,respectivamente. As variáveis de estado definidas são: x1 = θ é o ângulo gerado peloservomotor (SRV02), x2 = α é a deflexão do ângulo da haste, x3 = θ é a velocidade doservomotor e x4 = α é a velocidade de deflexão do ângulo da haste.

O sistema do Flexible Link, representado na forma vetorial-matricial, é dado como:

x1

x2

x1

x2

=

0 0 1 00 0 0 10 Ks

Jeq−ηgK2

gηmKtKm+BeqRm

RmJeq0

0 −Ks(Jeq+Jl)JeqJl

ηgK2gηmKtKm+BeqRm

RmJeq0

x1

x2

x1

x2

+

00

ηgKgηmKt

RmJeq

−ηgKgηmKt

RmJeq

Vm (2.49)

y1

y2

=1 0 0 0

0 1 0 0

x1

x2

x1

x2

(2.50)

Na Tabela 2, encontram-se os valores dos parâmetros do sistema, abordados nodecorrer do capítulo.

Tabela 2 – Parâmetros do kit da Quanser

Variável Nome da variável Valorηm Eficiência do motor 0,69ηg Eficiência das engrenagens 0,90Kt Constante do torque do motor 0,00768 N.mKm Constante eletromagnética 0,00768 V.s/radKg Ganho das engrenagens 70Beq Coeficiente de viscosidade 0,004 N.m.s/radRm Resistência do circuito do motor 2,6 ΩJl Momento de inércia do Flexible link 0,0038 Kg.m2

Jeq Momento de inércia equivalente do motor 0,0028 Kg.m2

Ks Rigidez da haste 1,3

Substituindo-se cada parâmetro na equação 2.49, tem-se o seguinte espaço de


estados:

x1

x2

x1

x2

=

0 0 1 00 0 0 10 625 −31, 25 00 −967, 105 31, 25 0

x1

x2

x1

x2

+

00

61, 73−61, 73

Vm (2.51)

y1

y2

=1 0 0 0

0 1 0 0

x1

x2

x1

x2

(2.52)

Ilustra-se na Figura 10, o modelo em espaço de estados do sistema, que é compostopor uma combinação de dois subsistemas, um para o servomotor e o outro para a hasteflexível, respectivamente.

Servomotor (SRV02) Haste Flexívelα

𝒙 = 𝑨𝒙 +𝑩𝒖

𝒚 = 𝑪𝒙

𝑽𝒎 𝝉𝑳

𝒚 𝒖 = 𝑽𝒎

Figura 10 – Espaço de estados

2.3.5 Controlabilidade do Sistema

A noção de controlabilidade introduzido por Kalman, por volta de 1960, é umdos conceitos mais fundamentais na teoria de controle (MONTEIRO, 2006). Se para umsistema for possível obter uma entrada capaz de transferir todas as variáveis de estadode um estado inicial desejado para um estado final desejado, o sistema é dito controlável;caso contrário, o sistema não é controlável (NISE, 2007).

Para o estudo do sistema proposto, calcula-se a matriz de controlabilidade Cm:

Cm = [B AB A2B ... An−1B] (2.53)


E se a matriz for de posto pleno, isto é, se Cm possui todas as colunas linearmenteindependentes, o sistema do Rotary Flexible Link é controlável. À vista disso:

Cm =

0 0, 0001 −0, 0019 0, 02170 −0, 0001 0, 0019 −0, 0006

0, 0001 −0, 0019 0, 0217 0, 5275−0, 0001 0, 0019 −0, 0006 −1, 1874

(2.54)

Portanto, o sistema é de posto pleno, assim pode-se afirmar que todos os estadosdo sistema sofrem influência da tensão do motor, que é a entrada do sistema.

31

3 Controle do Sistema

Este capítulo apresenta a validação do modelo e o controle LQR (regulador linearquadrático), proposto pelo fabricante

3.1 Validação do ModeloA validação do modelo é realizada comparando-se o comportamento do modelo

com o comportamento do sistema real quando ambos são submetidos às mesmas condiçõesde entrada.

Na Figura 11, demonstra-se que o sistema real, Rotary Flexible Link, está emmalha aberta concomitantemente com o sistema em espaços de estado, e em ambos éaplicado uma entrada, tipo pulso, de 2 volts.

Figura 11 – Diagrama de blocos para validação do sistema

Na Figura 12, gráfico C, percebe-se que quanto maior o sinal de entrada, maior seráa deflexão da haste (gráfico A). Até o momento de 1 segundo, constata-se que houve umapertubação no sistema, tanto no real como no linearizado, sendo que a deflexão da haste émaior nesse intervalo de tempo, oscilando entre 7°e −7°. No gráfico B, posição do motor,o modelo linearizado e o sistema flexible link também atendem a validação do modelo.Assim, nesta validação foi possível perceber que o modelo respondeu próximo ao real,

Capítulo 3. Controle do Sistema 32

pois no gráfico A, o sistema em espaços de estados convergiu para o estado estacionário eo sistema real continuou oscilando com uma amplitude menor, já que estava em malhaaberta.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

20

40

60

80

100

Po

siç

ão

do

Mo

tor

/ °

B

Modelo Linearizado

Sistema Flexible Link

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

tempo / s

0

0.5

1

1.5

2

Ten

são

/ V

C

Sinal de Entrada

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-10

-5

0

5

10

Defl

exão

da H

aste

/ °

A

Modelo Linearizado

Sistema Flexible Link

Figura 12 – Validação do modelo em malha aberta

3.2 Controle LQRO regulador linear quadrático, chamado de LQR, desempenha um papel fundamental

em técnicas de controle. O LQR não é só uma ténica de controle robusta, mas em muitosaspectos é o principal meio para procedimentos de concepção de controles lineares parasistemas de múltiplas entradas e múltiplas saídas (LEVINE, 1996).

O regulador linear quadrático vem sendo amplamente utilizado em diversos tipos deaplicações onde necessita controle regulatório. A implementação deste tipo de estratégia decontrole inclui a realimentação dos estados, que serão ponderados de forma a minimizar uma


função custo (BURNS, 2001). A chave dos controladores LQR está na escolha apropriadados índices de desempenho a fim de atender os critérios de projeto (KANIESKI, 2010).

Dado a lei de controle linear, equação 3.1, que em vez de definir uma matriz deganho para pólos de malha fechada, determina-se uma matriz de ganho para a funçãocusto quadrática.

u(x) = −Kx(t) (3.1)

À visto disso, o método LQR envolve a determinação de um sinal de entradaque levará um sistema linear de um dado estado inicial x(t0) para um estado final x(tf)enquanto miniminiza a função custo quadrática, J, que pode ser vista na equação 3.2.

J =∞∫

0

x(t)′Qx(t) + u(t)′Ru(t)dt (3.2)

As matrizes Q e R são chamadas de matrizes de peso, as quais irão determinar aresposta em malha fechada do sistema. A matriz Q é a matriz de peso dos estados e amatriz R é a matriz de peso das entrada. A escolha adequada dessas matrizes permiteque se obtenha uma relação satisfatória entre esforço de controle e tempo de resposta(FRIEDLAND, 1986).

De um modo geral, selecionado-se um valor grande para Q significa que, paramanter a função custo, J, pequena, o estado x(t) deve ser menor. De outra maneira,selecionando-se um valor maior de R, significa que a entrada de controle, u(t), deve sermenor para manter a função custo pequena. Isso quer dizer que para valores grandes deQ, geralmente resulta em polos da matriz do sistema de malha fechada, Ac = (A−BK),estando mais para à esquerda no plano s de modo que o estado decaia mais rápido parao valor zero (FRIEDLAND, 1986). De outro modo, valores grandes de R revela que ummenor esforço de controle é utilizado, assim os polos do sistema são geralmente mais lentos,resultando em valores grande para o estado x(t).

A sintonia proposta pelo fabricante para o controle LQR, da matriz de peso para oestado e a entrada, são Q = [125 1 1 5] e R = 1, respectivamente. Dessa forma, definiu-seo critério de desempenho ITSE, para fazer uma análise de desempenho, que penaliza errosgrandes e que ocorrem ao longo do tempo. Há um acréscimo do erro do critério ITSEquando aumenta-se o valor de Q, e isso ocorre devido a multiplicação dos estados dosistema. O resultado da função custo para o critério de desempenho está representado naTabela 3, e da mesma forma a simulação na Figura 13.

Um ponto importante a ser frisado é que o LQR implementado em um sistemareal gera offset, portanto uma ação integral é necessária para os cenários de rejeição dedistúrbios não medidos e incerteza do modelo.


Tabela 3 – Comparação de desempenho do controle LQR

Parâmetros ITSE Parâmetros ITSE Parâmetros ITSETeste 1: Teste 2: Teste 3:

Q = [125 1 1 5] 1791 Q = [150 1 1 3] 1795 Q = [160 2 3 8] 1789R = 1 R = 1 R = 1

Figura 13 – Sintonia do LQR

35

4 Projeto do Supervisório

Neste capítulo apresenta-se a integração entre o CLP, Matlab®/Simulink e o sistemaSCADA, como também a criação do sistema de supervisão.

4.1 Integração entre CLP, Matlab®/Simulink e sistema SCADAO protocolo OPC é responsável pela comunicação entre diversos sistemas, e por

isso, a integração entre o controlador lógico programável, Matlab®/simulink e o IHMé possível. O OPC toolbox, disponível no Matlab®/simulink, funciona como um clienteOPC, permitindo a leitura e a escrita a partir de certos dispositivos, tais como sistemasdistribuídos de controle, supervisório e CLP’s. A Figura 14 indica os blocos do Simu-link necessários para a comunicação OPC, tal como o OPC configuration, read e write,responsáveis pela configuração OPC, leitura e escrita, respectivamente.

Figura 14 – Blocos da biblioteca OPC do Simulink

O software RSLinx, que permite a comunicação da plataforma Rockwell Automationcom o Matlab® por meio do protocolo OPC, é empregado como servidor OPC e atua natroca de informações entre o IHM, um cliente OPC (Matlab®) e o CLP. Na Figura 15,observa-se a interface do RSLinx, além do CLP conectado, ao programa RSLinx, paratroca de informações.

Figura 15 – Interface do programa RSLinx

Capítulo 4. Projeto do Supervisório 36

Outro programa, que é indispensável na troca de informações entre o CLP, Matlab eo IHM, é o RSLogix 5000. O primeiro passo para escrever uma lógica no programa RSLogix5000 é criar as variáveis ou tag’s, e selecionar os seus tipos de dados. Na Figura 16,representa-se as tag’s que foram utilizadas neste trabalho, e essas tag’s são empregadas noCLP, do mesmo modo que são compartilhadas para serem usadas no IHM e no Matlab®.

Figura 16 – Variáveis criadas no RSLogix 5000

Além disso, para que ocorra troca de informações com CLP, em todos os sistemas daQuanser, utiliza-se a biblioteca QUARC toolbox, que interage com as plataformas da Quan-ser na implementação de qualquer algoritmo de controle (www.quanser.com/Products/quarc).No sistema Rotary Flexible Link, que também utiliza a biblioteca QUARC toolbox, manipula-se um modelo para interpretar as informações dos sensores, bem como enviar o sinalprojetado de controle (tensão do motor, SRV02), por intermédio da placa Q8-USB.

O supervisório Elipse, que oferece visualização gráfica de um sistema de controle emonitora o sistema, informa ao usuário, em tempo real, como também conecta o mesmo,com o sistema, para assim, dar ao usuário uma informação geral sobre o sistema a sercontrolado.

De uma forma intuitiva, a Figura 17 mostra o caminho da comunicação entre oCLP e o sistema. O supervisório, que fornece e recebe os dados do CLP, e em consequênciao servidor OPC interage com o Matlab® (cliente OPC), e por último, o sinal chega aosistema através da placa Quanser Q8.


CLP

ServidorOPC

(RSLinx)

MATLABOPC

QuanserQ8

Sistema

IHM

Figura 17 – Integração entre CLP, Matlab e IHM

4.2 Desenvolvimento do Sistema SupervisórioO sistema de supervisão, desenvolvido no Elipse, tem como finalidade a apresentação

de uma interface gráfica, dinâmica e interativa do sistema rotary flexible link para o usuário,sendo este um aluno da graduação de engenharia, a fim de que haja uma simulação virtualsemelhante ao sistema em tempo real, para que a supervisão e controle do sistema seja deforma prática e objetiva.

De acordo com Castrucci e Moraes (2001), antes do desenvolvimento de um sistemade supervisão, deve-se estabelecer algumas etapas que devem preceder a criação do IHM,que são: entendimento do sistema, tomada de variáveis do sistema, layout da tela e gráficosde tendência.

O desenvolvimento do sistema de supervisão exigiu o conhecimento detalhado dosistema. Para que esse detalhamento fosse alcançado, necessitou-se estudar e operar o kitdidático em vários momentos. A tomada de variáveis é a determinação das variáveis quesão realmente importantes, para que o sistema de supervisão seja o mais simples possívele objetivo. No planejamento do layout da tela, levou-se em conta a ergonomia e a clarezadas informações, dado que o entendimento da tela de supervisão tem que ser claro.


Ao considerar-se a ergonomia do futuro usuário de operação do kit, considerou-sealgumas diretrizes, como: diminuir a possibilidade de monotonia que levam à desconcen-tração do usuário através do uso da tela com boa representatividade; evitar situaçõesque acarretam cansaço por meio do não sobrecarregamento da tela com cores muitoextravagantes, optando-se por cores, como o azul claro e o cinza; e evitar informações emexcesso, pois a tela só deve chamar atenção ao que realmente interessa.

O software de supervisão é composto por dois ambientes: o de desenvolvimentoe o de execução. O ambiente de desenvolvimento, Figura 18, é encarregado da criação,configuração e programação. Neste, o programador cria, aloca e hierarquiza e configurajanelas; cria e posiciona gráficos; cria, posiciona e configura objetos dinâmicos. Enquantoque o ambiente de execução é incumbido de executar tudo o que foi criado, programado econfigurado no ambiente de desenvolvimento.

Figura 18 – Ambiente de desenvolvimento do software Elipse

Os principais recursos do sistema supervisório em questão são as janelas da IHM,variáveis do sistema de supervisão (tagname), objetos ativos e gráficos de tendência. AIHM de um sistema supervisório é apresentada por meio de janelas virtuais, tambémchamadas de sinópticos, que a depender do tamanho do sistema e a sua complexidade,influenciarão na quantidade de janelas que o representará e, portanto, como o sistemaé pequeno e simples, criou-se uma única janela. Um outro recurso são as variáveis outagnames, que são criadas no Elipse e podem ser visualizadas na Figura 19, e entende-sepor variável um espaço na memória destinada a armazenar um valor de determinado tipo,como discreto (booleano), numérica (inteiro ou real) ou caracter (string). Os botões ativos,


também utilizados neste trabalho, permitem a atuação do usuário na mudança de valor dealgum tagname e os principais objetos ativos são os botões, os displays de ajuste numéricoe os indicadores numéricos.

Os botões, que são objetos de entrada do tipo discreto e que ao serem clicadosefetuam uma ação, como parar o sistema, e os displays de ajuste numérico, que são dotipo real, e possibilitam o ajuste de valor de um determinada variável via teclado físico,como ajuste dos parâmetros do controlador, devem ser simples e intuitivas, como podemser observados na Figura 20. Os indicadores numéricos, que informam os valores doscritérios de desempenho, também na Figura 20, não devem possuir muitos detalhes e suascores devem ser sóbrias. Um outro recurso importante são os gráficos de tendência quepodem ser do tipo real ou histórica. Os gráficos de tendência real, adotados neste trabalho,apresentam os valores das variáveis em função do tempo de forma dinâmica, conforme osgráficos de ângulo de deformação, posição do motor e sinal de controle, que podem serobservados na Figura 27.

Figura 19 – Tagnames do Supervisório

Figura 20 – Botão, displays de ajuste numéricos e indicadores numéricos do sistemaSupervisório

Diante de todos os recursos do sistema supervisório, foi criado um passo a passobásico no fluxograma da Figura 21, que demonstra a criação das tag’s, da lógica no


RSLogix 5000, do sistema SCADA no Elipse e a comunicação entre o CLP e o sistema desupervisão.

Criar lista de tag s e seus dados correnpondes no RSLogix 5000

Criar lógica no RSLogix 5000 para iniciar ou parar o sistema, além da lógica para os parâmetros do LQR necessitarem ter um

valor diferente de 0 quando inicia-se o kit

Desenvolver o sistema de supervisão no Elipse

Criar tag s no sistema de supervisão para os objetos e gráficos, que incluem os botões iniciar e parar, displays numéricos para digitar os valores dos parâmetros do controlador e os displays para mostrar os

critérios de desempenho

Atribuir as tag s criadas no sistema de supervisão, citadas no passo anterior, aos gráficos, botões e aos displays numéricos

Criar comunicação entre o sistema de supervisão e o CLP através do RSLinx. Essa comunicação habilita que o sistema de supervisão

leia e modifique os valores do CLP.

Fazer o download do código escrito no RSLogin 5000 para o CLP, e iniciar o CLP. Executar o sistema de supervisão no elipse.

Figura 21 – Passos necessários para a criação de aplicações no CLP e sistema de supervisão

Dessa maneira, definiu-se lógicas de programação para que a interface homem-máquina funcionasse adequadamente com o simulink, como, por exemplo, a mudançade parâmetros do controlador. Uma outra lógica seria parar o sistema ou modificar osetpoint do sistema diretamente do sistema supervisório, tornando, assim, o kit totalmenteintegrado ao IHM. Para que isso fosse possível, utilizou-se a lógica da Figura 22 para fazero sistema parar, em que consiste que o usuário ao clicar no botão parar no IHM, enviará ovalor 1 para o simulink através do OPC read, tornando a lógica verdadeira. Uma outralógica é mostrada na Figura 23, em que define o valor do setpoint (posição do motor) dosistema, multiplicando o valor enviado do IHM com o valor do rate limiter, sendo queeste não influencia no valor final do setpoint. Já para a lógica de mudança dos parâmetrosdo controlador, Figura 24, recorreu-se ao bloco to workspace para salvar, como vetores,os valores de Q e R da seguinte maneira: toda vez que os parâmetros do controlador sãomodificados, é imprescindível que o usuário pare o sistema, pois o Matlab® recalcularáum novo valor para o controle LQR, uma vez que não é possível modificar os parâmetroscom o sistema em funcionamento. Quando o sistema é interrompido, uma função chamadacallback é executada no simulink, que automaticamente executará no Matlab® um scriptcom os novos valores de Q e R, calculando assim um novo ganho para o LQR.

No controlador lógico programável, desenvolveu-se uma subrotina em linguagem


Figura 22 – Lógica de funcionamento do botão parar no simulink

Figura 23 – Lógica de funcionamento do setpoint no simulink

Figura 24 – Lógica de funcionamento do parâmetros do controlador no simulink


ladder, Figura 26, para que os parâmetros do controlador sempre inicializem com umvalor diferente de zero, como, por exemplo, Q=[125 1 1 3], R = 1 e o setpoint igual a 30,evitando que ocorra erro na inicialização do sistema no simulink. No momento em queo programa Rslogix 5000 é colocado em modo run, automaticamente é atribuído essesvalores de Q, R e setpoint. Na Figura 25 tem-se uma lógica para o botão parar, em queconsiste no uso do bloco retentive time on para reter o valor 1 por alguns milissegundos,ou seja, quando o botão parar é acionado no sistema supervisório, a simulação no simulinké interrompida.

Figura 25 – Subrotina e lógica para o botão parar

Figura 26 – Atribuição dos valores Q, R e setpoint ao iniciar-se o RsLogix 5000

O supervisório proporciona ao usuário definir os parâmetros de sintonia do con-trolador LQR, abordado no terceiro capítulo. Os parâmetros do controlador, que são asmatrizes de peso para o estado e a entrada e que são chamados de Q e R, respectivamente,podem ser observados na Figura 27. Um outro fator que pode ser modificado é o setpoint,definido como amplitude, que corresponde a posição do motor, no sistema de supervisão.

Um fator importante na avaliação dos parâmetros de sintonia do controlador,chamam-se critérios de desempenho e foram utilizados na deflexão da haste. Assim,


Figura 27 – Tela do supervisório desenvolvido no Elipse

adicionou-se no supervisório três critérios de desempenho: ITSE (integral do tempomultiplicado pelo valor absoluto do erro), ITAE (integral do tempo multiplicado pelo valorabsoluto do erro) e por último, ISE (integral do quadrado do erro).

O critério ITSE, assim como o ITAE, quando possuem um erro inicial grande, estessão ponderados com peso baixo, enquanto que erros que ocorrem mais tarde na respostatransitória são bastantes penalizados (HOMMERDING, 2012). Enquanto que o critérioISE dá grande peso para erros grandes e pequeno peso para erros pequenos.

Foram realizados testes no supervisório para certificar-se que a interface homem-máquina atendeu aos requisitos necessários ao bom funcionamento. Desta forma, modificou-se os parâmetros do controlador LQR, conforme Figura 28 e Figura 29. Na Figura 28constata-se que a ação do controlador LQR foi satisfatória, como observa-se nos gráficos,ângulo de deformação da haste e a posição do motor, respectivamente. Já na Figura 29, aação do controlador não foi satisfatório, devido aos parâmetros do controlador não seremadequados, como revelam os gráficos. Os critérios de desempenho ISE, ITAE e ITSEsão apresentados em cada figura, com seus respectivos valores, como poder ser visto naFigura 28.

O setpoint, denominado como a amplitude, que pode ser visto na Figura 30, foimodificado do valor 30 para 10, deste modo o gráfico posição do motor revela a mudançade amplitude, tal como a deflexão da haste tem uma oscilação menor e o sinal de controle


Figura 28 – Supervisório com controle LQR com resultado satisfatório

Figura 29 – Supervisório com controle LQR com resultado não satisfatório

também sofre uma atenuação.

Com essas simulações, conseguiu-se testar a funcionalidade do sistema supervisórioe comprovar a sua eficiência, diante da facilidade de manusear os parâmetros do controladorLQR, de observar os critérios de desempenho, de modificar o setpoint e verificar todos os


Figura 30 – Supervisório com mudança de setpoint de 30 para 10

gráficos em uma só interface.

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Conclusão

O trabalho proposto apresentou o estudo, a modelagem e o desenvolvimento deum sistema de supervisão utilizando um kit didático e um controlador lógico programável,ambos disponíveis no laboratório de controle no CTAI.

A interface gráfica, desenvolvida no Elipse, tornou a operação do kit didático maiseficiente e confiável, através da visualização dos dados do sistema, como os gráficos e oscritérios de desempenho, e inclusive a modificação dos parâmetros do controlador LQR,em uma única tela. Contudo, essa integração entre o CLP, o kit didático e o sistema desupervisão só foi possível em virtude ao protocolo OPC, que tornou a comunicação entrediferentes dispositivos uma tarefa acessível.

Na indústria contemporânea, há uma necessidade iminente e fundamental de umainterface de operação, construída através de um sistema SCADA, sempre visando alcançarum maior conforto, independência e segurança, no qual o usuário tenha a visualização eoperação de um sistema por meio de uma interface. Bem como, no âmbito da universidade,o sistema SCADA contribuiu como um instrumento que possibilite aos alunos manuseá-loe também interagir com um controlador lógico programável e a linguagem Ladder.

O kit didático abordado, juntamente com o CLP, demonstrou ser um trabalhoque associou a teoria com a prática, aplicando os conhecimentos adquiridos ao longo dagraduação em engenharia de controle e automação de processos. No decorrer do processoda elaboração do sistema SCADA, surgiram problemas, tal como efetuar a comunicaçãoentre o kit didático e o CLP, sendo que foi possível comunicar. Assim, é esperado que seaprenda com o supervisório de uma maneira prática e objetiva.

Uma recomendação para trabalhos futuros é a adaptação do supervisório pararealizar o controle do kit via internet, tendo acesso diretamente ao sistema, modificandoos parâmetros do controlador e observando as mudanças ocorridas nos gráficos, e tambéma aplicação de novas técnicas de controle no kit didático.

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Referências

ANAHEIM AUTOMATION. Hmi guide. In: . United States, 2012. v. 1. Disponívelem: <http://www.anaheimautomation.com/manuals/forms/hmi-guide.php#sthash.0d3ur2r6.tVUrARCO.dpbs>. Acesso em: 8 outubro 2016. Citado na página 20.

BISSEL, C. C. Springer Handbook of Automation. [S.l.: s.n.], 2009. Citado na página 12.

BURNS, R. S. Advanced Control Engineering. 1. ed. London: Butterworth, 2001. Citadona página 33.

CASTRO, J. C. V. d.; SOUZA, L. C. G. d. Comparison of the lqg and h-infinitytechniques to design experimentally a flexible satellite attitude control system. 2010.Citado na página 13.

CASTRUCCI, P.; MORAES, C. Engenharia de Automação Industrial. 1. ed. São Paulo:LTC, 2001. 57 p. Citado na página 37.

FRANCHI, C. M.; CAMARGO, V. L. A. de. Controladores Lógicos Programáveis:Sistemas discretos. 2. ed. São Paulo: Érica, 2010. 21-23 p. Citado 2 vezes nas páginas 12e 19.

FRIEDLAND, B. Control System Design. 2. ed. California: LTC, 1986. 337 p. Citado napágina 33.

GASCOIGNE, B. History of Communication. [s.n.], 2005. Disponível em: <http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?historyid=aa93>. Acesso em: 5de agosto 2016. Citado na página 12.

HOGENBOOM, M. The most beautiful equation is... the Euler-Lagrangeequation. [s.n.], 2016. Disponível em: <http://www.bbc.com/earth/story/20160120-the-most-beautiful-equation-is-the-euler-lagrange-equation>. Acessoem: 12 set. 2016. Citado na página 21.

HOMMERDING, G. Controle em tempo real de sistemas dinâmicos através de redes IP.Porto Alegre, RS, 2012. Citado na página 43.

KANIESKI, J. M. Modelagem e controle LQR aplicado a um condicionador de energia.Pato Branco, PR, 2010. Citado na página 33.

KOMINEK, D. Opc: The ins and outs to what it’s about: The every man’s guide to opc.Canada, 2009. Citado na página 20.

LEVINE, W. The Control Handbook. 1. ed. California: Crc Press, 1996. 635 p. Citado napágina 32.

MONTEIRO, L. H. A. Sistemas dinâmicos. [S.l.]: Editora Livraria da Física, 2006. Citadona página 29.

NIKPAY, N.; SHOOREHDELI, M. Neuro-fuzzy control of quanser flexible link. 11thInternational Conference on Hybrid Intelligent Systems (HIS), IEEE, v. 978, p. 436–441,2011. Citado na página 13.

http://www.anaheimautomation.com/manuals/forms/hmi-guide.php#sthash.0d3ur2r6.tVUrARCO.dpbs

http://www.anaheimautomation.com/manuals/forms/hmi-guide.php#sthash.0d3ur2r6.tVUrARCO.dpbs

http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?historyid=aa93

http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?historyid=aa93

http://www.bbc.com/earth/story/20160120-the-most-beautiful-equation-is-the-euler-lagrange-equation

http://www.bbc.com/earth/story/20160120-the-most-beautiful-equation-is-the-euler-lagrange-equation

Referências 48

NISE, N. S. Engenharia de Sistemas de Controle. 6. ed. California: LTC, 2007. 94 p.Citado 2 vezes nas páginas 27 e 29.

PRUDENTE, F. Automação Industrial: Plc: Teoria e aplicações. 2. ed. Rio de Janeiro:LTC, 2007. 39 p. Citado na página 19.

QUANSER. Student Workbook, Rotary Servo Base Unit Experiment. [S.l.: s.n.], 2010.Citado 2 vezes nas páginas 17 e 24.

ROCKWELL AUTOMATION. Manual do usuário dos controladores CompactLogix 1769.São Paulo, SP, 2013. Citado na página 19.

STANARD, J. A History Of (Communications) Networks. [s.n.], 1998. Disponível em:<http://www.govtech.com/magazines/gt/A-History-Of-Communications-Networks.html>. Acesso em: 21 ago 2016. Citado na página 12.

TIJANI, I. et al. Optimization of pid controller for flexible link system using apareto-based multi-objective differential (pmode) evolution. In: IEEE. Mechatronics(ICOM), 2011 4th International Conference On. [S.l.], 2011. p. 1–6. Citado na página 13.

http://www.govtech.com/magazines/gt/A-History-Of-Communications-Networks.html

http://www.govtech.com/magazines/gt/A-History-Of-Communications-Networks.html

desenvolvimento de um sistema ... - cceca.eng.ufba.br · o de nikpay e shoorehdeli (2011), em que...

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