poster cba 2012
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Poster do artigo "Avaliação de Técnicas de Controle Aplicadas a uma Plataforma Multivariável de Controle de Nível Destinado a Ensino e Pesquisa" apresentado no congresso brasileiro de automática em 2012TRANSCRIPT
AVALIAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE UTILIZANDO UMA
PLATAFORMA MULTIVARIÁVEL DE CONTROLE DE NÍVEL
DESENVOLVIDA PARA O ENSINO E PESQUISA
¹ACBAL R. A. ACHY, ¹ADHEMAR B. FONTES, ¹MÁRCIO R. S. GARCIA, ²HERMAN A. LEPIKSON e ³IURI M. PEPE
¹Laboratório de Automação e Controle, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal da Bahia, ²Laboratório de Automação Industrial, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal da Bahia, ³Laboratório de Propriedade Óticas, Instituto de Física, Universidade Federal da Bahia
CONTATO [email protected]/ [email protected]/ [email protected]/ [email protected]/ [email protected].
ENDEREÇO UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
Laboratório de Automação e Controle; Centro de Capacitação Tecnológica em Automação Industrial e Laboratório de
Propriedades Óticas
Rua Aristides Novis, 02, Federação,
CEP 40210-630, Salvador - Bahia – Brasil. Telefone: +55-71-3283-9499 / 9755 / 6619
Este trabalho aborda os primeiros testes e resultados obtidos na plataforma multivariável de
controle de nível didática desenvolvida na Universidade Federal da Bahia. Esta planta permiti
o estudo tanto da dinâmica de sistemas acoplados e não lineares, quanto dos modelos de
controle clássicos e modernos. Este Kit pode ser configurado para os casos SISO, MISO,
SIMO e MIMO a partir dos quais podem ser obtidos diferentes modelos e estratégias de
controle. Na validação dos primeiros resultados a plataforma foi configurada para operar no
modo MIMO utilizando duas entradas e duas saídas. Foram implementados e avaliados
algoritmos de controle preditivo generalizado multivariável (GPC), controlador PI sem
considerar o acoplamento do processo e o PI com o termo de desacoplamento. Os resultados
das análises de avaliação dos controladores foram feitos tanto para o caso servo quanto para
o caso regulador. O uso de pré-compensadores mostrou-se de grande utilidade na
amenização do esforço de controle e na possibilidade de uma estratégia de controle mais
agressiva e robusta. Todos os controladores foram avaliados por meio de métricas de
desempenho e obtiveram bons desempenhos.
RESUMO
INTRODUÇÃO
RESULTADOS
MODELO DA PLANTA E PROJETO DO CONTROLADOR
REFERÊNCIAS Achy, A. R. A., (2008). Avaliação de Técnicas de Controle Aplicadas a um Kit Didático Multivariável
de Controle de Nível. Trabalho Final de Graduação em Engenharia Elétrica, Universidade
Federal da Bahia, Salvador-Ba.
Campos, M. C. M. M., Teixeira H. C. G., (2006). “Controladores Típicos de Equipamentos e
Processos Industriais”, 1 ed., Ed. Edgard Blücher, São Paulo, Brasil, 396 p.
Fontes, A. B. (2002). Desenvolvimento e Avaliação de Controladores Preditivos Baseados em
Modelos Bilineares. Tese de Doutoramento em Engenharia Elétrica, Universidade Federal
do Rio Grande do Norte, Natal-RN.
Pasamontes, M.; Álvarez, J. D.; Guzmán, J. L.;Berenguel, M. (2012). "Learning Switching Control: A
Tank Level-Control Exercise". IEEE TRANSACTIONS ON EDUCATION, VOL. 55, NO. 2, MAY
2012.
Shinskey (1989). Process Control Systems. McGraw-Hill, ed 3, New York.
AGRADECIMENTO Este trabalho contou com o apoio técnico do Instituto de Física e a Escola Politécnica da
UFBA e do apoio financeiro da Rockwell Automation.
Os modelos dinâmicos da planta de controle foram obtidos para a faixa de 10 a 20
cm, sendo para esta faixa, uma geometria linear na coluna II e uma geometria esférica
na coluna III. Estabeleceu-se o nível de operação do sistema em 15 cm.
Após os testes para obtenção da dinâmica da planta, obteve-se o seu modelo
matemático. As equações e os erros de modelagem que descrevem seu comportamento
estão em (1), (2), (3), (4).
O Controlador PI projetado apresenta, como característica em frequência a adição
de um pólo na origem e um zero do controlador, que foi alocado à esquerda do pólo da
planta. Para diminuir o acoplamento do sistema implementou-se um PI com filtro de
desacoplamento, de acordo com Shinskey (1989). O controlador PI discreto foi
implantado para que se pudesse comparar igualmente a resposta do sistema tanto para
o controlador clássico quanto para o GPC MIMO. A tabela 1 mostra os parâmetros de
configuração dos controladores avaliados.
CONCLUSÃO Nos testes práticos evidenciou-se a diferença de comportamento entre os controladores
preditivo e os clássicos. A implantação do controle avançado teve o principal objetivo de
estimular os estudantes ao estudo de diferentes estratégias, pois para o caso de
controle de nível, controladores clássicos desempenham bem a função de controle,
apesar de não “perceberem” a planta globalmente.
Figura 1 – Planta didática multivariável de controle de nível
Região de
operação
Figura 2 – Região de operação do sistema.
Bomba II Bomba III
Coluna II Coluna III
(1)
Erro de modelagem de G22: 13,86%
(2)
Erro de modelagem de G23: 15,25%
(3)
Erro de modelagem de G32: 10,15%
(4)
Erro de modelagem de G33: 15,11%
532
53
221056,27102,34
1044,28102,31)(
ss
ssG
532
53
231066,451029,43
1074,42100,27)(
ss
ssG
532
53
321039,281089,33
1096,26102,27)(
ss
ssG
532
53
331015,171001,35
1051,17102,31)(
ss
ssG
PI PI discreto GPC MIMO
Parâmetros PIII PIIII PIII PIIII
KC 14 6 2,85 2,61 ---
KI 0.014 0.032 -2,565 -2,276 ---
Ny --- --- --- --- 15
[λ1,λ2] --- --- --- --- [8,1]
[Q1,Q2] --- --- --- --- [1,1]
TR 95s 194s 185s 194s [80;100]
Tabela 1. Parâmetros dos controladores PI e tempo de resposta.
T III CASO SERVO CASO REGULADOR
Contr. Tr (s) OS (%) IAE ITAE u(v) σ²u σ²ISA % IAE ITAE u(v) σ²u σ²ISA %
PI 195 0 1,00 0,996 3,13 0,02 0,64 1 0,73 2,07 0,01 0,48
PI Des 200 0 1 1 2,99 0,01 0,33 0,98 0,72 2 0,01 0,50
GPC 155 0 0,98 0,992 3,14 0,03 0,96 0,92 1 1,87 0,02 1,07
MA 225 - - - - - - - - - - -
Tabela 3. Tabela de avaliação de desempenho dos controladores para o caso servo na coluna III.
Tabela 2. Tabela de avaliação de desempenho dos controladores para o caso servo na coluna II
T II CASO SERVO CASO REGULADOR
Contr. Tr (s) OS (%) IAE ITAE u(v) σ²u σ²ISA % IAE ITAE u(v) σ²u σ²ISA %
PI 175 0 1 0,69 3,07 0,01 0,33 0,97 0,96 1,86 0,02 1,08
PI Des 250 0 0,99 0,69 3,06 0,01 0,33 1 1 1,96 0,01 0,51
GPC 105 0 0,97 1 3,08 0,02 0,65 0,99 0,99 1,84 0,03 1,63
MA 245 - - - - - - - - - - -
Figura 3. Resposta da coluna II e esforço de controle do controlador
preditivo para o caso servo.
Figura 5. Resposta da coluna II e esforço de controle do controlador
PI desacoplado para o caso servo.
Figura 4. Resposta da coluna III e esforço de controle do controlador
preditivo para o caso regulador.
Figura 6. Resposta da coluna III e esforço de controle do
controlador PI desacoplado para o caso servo.