projeto e desenvolvimento de uma mesa xy para teste funcional de teclados (1)
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UNIVERSIDADE DE TAUBATEacute
Etevaldo dos Santos Costa
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DE
TECLADOS
TAUBATEacute - SP2013
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Etevaldo dos Santos Costa
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DE
TECLADOS
Dissertaccedilatildeo apresentada para obtenccedilatildeodo Tiacutetulo de Mestre pelo Curso Poacutes-Graduaccedilatildeo do Departamento deEngenharia Mecacircnica da Universidadede TaubateacuteAacuterea de Concentraccedilatildeo AutomaccedilatildeoIndustrial e RoboacuteticaOrientador Prof Dr Marcio AbudMarcelino
Co-orientador Prof Dr Francisco AntocircnioLotufo
TAUBATEacute - SP2013
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Ficha catalograacutefica elaborada peloSIBi ndash Sistema Integrado de Bibliotecas UNITAU-Biblioteca das Engenharias
C837p Costa Etevaldo dos SantosProjeto e desenvolvimento de uma mesa XY para teste funcional de
teclados Etevaldo dos Santos Costa - 2013
65f il
Dissertaccedilatildeo(Mestrado em Engenharia Mecacircnica na aacuterea deAutomaccedilatildeo Industrial e Roboacutetica) - Universidade de TaubateacuteDepartamento de Engenharia Mecacircnica 2013
Orientaccedilatildeo Prof Dr Maacutercio Abud Marcelino Departamento deEngenharia Mecacircnica
Co-orientador Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo (UNESP)
1 Controle de qualidade 2 Modelagem matemaacutetica 3 ControladorPID I Tiacutetulo
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ETEVALDO DOS SANTOS COSTA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DETECLADOS
Dissertaccedilatildeo apresentada para obtenccedilatildeodo Tiacutetulo de Mestre pelo Curso Poacutes-Graduaccedilatildeo do Departamento de
Engenharia Mecacircnica da Universidadede TaubateacuteAacuterea de Concentraccedilatildeo AutomaccedilatildeoIndustrial e Roboacutetica
Data ____________________
Resultado _______________
BANCA EXAMINADORA
Prof Dr Marcio Abud Marcelino UNITAUUNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Pedro Paulo Leite Prado UNITAU
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Teacuteofilo Miguel de Souza UNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo UNESP
Assinatura______________________________________________________
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Aos meus filhos Etevaldinho Matheusinho e Amadinha
como prova de amor dedicaccedilatildeo determinaccedilatildeo e coragem
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof Dr Marcio Abud Marcelino pela habilidade e empenho com que orientou meu
trabalho
Ao Prof Dr Francisco Antonio Lotufo pelo importante apoio na orientaccedilatildeo
A minha Irmatilde Juciara que atuou neste momento da minha vida como guru professora
psicanalista
A minha linda esposa Marilza pela paciecircncia compreensatildeo e apoio
A minha ldquoVeiardquo minha matildee Lucila que sofreu e vibrou a cada instante desse trabalho
Ao meu grande amigo Evandro Paresqui futuro engenheiro de Automaccedilatildeo e Controle que me
ajudou tecnicamenteA Escola Teacutecnica CEDTEC pelo apoio para construccedilatildeo do protoacutetipo que serviu de referencia
para este trabalho
A empresa Schneider Electric pela doaccedilatildeo do controlador Zeacutelio cabo de comunicaccedilatildeo e fonte
de alimentaccedilatildeo
A empresa Elipse Software pelo empreacutestimo da licenccedila de utilizaccedilatildeo do software de sistema
supervisoacuterio
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Etevaldo dos Santos Costa
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DE
TECLADOS
Dissertaccedilatildeo apresentada para obtenccedilatildeodo Tiacutetulo de Mestre pelo Curso Poacutes-Graduaccedilatildeo do Departamento deEngenharia Mecacircnica da Universidadede TaubateacuteAacuterea de Concentraccedilatildeo AutomaccedilatildeoIndustrial e RoboacuteticaOrientador Prof Dr Marcio AbudMarcelino
Co-orientador Prof Dr Francisco AntocircnioLotufo
TAUBATEacute - SP2013
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Ficha catalograacutefica elaborada peloSIBi ndash Sistema Integrado de Bibliotecas UNITAU-Biblioteca das Engenharias
C837p Costa Etevaldo dos SantosProjeto e desenvolvimento de uma mesa XY para teste funcional de
teclados Etevaldo dos Santos Costa - 2013
65f il
Dissertaccedilatildeo(Mestrado em Engenharia Mecacircnica na aacuterea deAutomaccedilatildeo Industrial e Roboacutetica) - Universidade de TaubateacuteDepartamento de Engenharia Mecacircnica 2013
Orientaccedilatildeo Prof Dr Maacutercio Abud Marcelino Departamento deEngenharia Mecacircnica
Co-orientador Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo (UNESP)
1 Controle de qualidade 2 Modelagem matemaacutetica 3 ControladorPID I Tiacutetulo
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ETEVALDO DOS SANTOS COSTA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DETECLADOS
Dissertaccedilatildeo apresentada para obtenccedilatildeodo Tiacutetulo de Mestre pelo Curso Poacutes-Graduaccedilatildeo do Departamento de
Engenharia Mecacircnica da Universidadede TaubateacuteAacuterea de Concentraccedilatildeo AutomaccedilatildeoIndustrial e Roboacutetica
Data ____________________
Resultado _______________
BANCA EXAMINADORA
Prof Dr Marcio Abud Marcelino UNITAUUNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Pedro Paulo Leite Prado UNITAU
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Teacuteofilo Miguel de Souza UNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo UNESP
Assinatura______________________________________________________
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Aos meus filhos Etevaldinho Matheusinho e Amadinha
como prova de amor dedicaccedilatildeo determinaccedilatildeo e coragem
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof Dr Marcio Abud Marcelino pela habilidade e empenho com que orientou meu
trabalho
Ao Prof Dr Francisco Antonio Lotufo pelo importante apoio na orientaccedilatildeo
A minha Irmatilde Juciara que atuou neste momento da minha vida como guru professora
psicanalista
A minha linda esposa Marilza pela paciecircncia compreensatildeo e apoio
A minha ldquoVeiardquo minha matildee Lucila que sofreu e vibrou a cada instante desse trabalho
Ao meu grande amigo Evandro Paresqui futuro engenheiro de Automaccedilatildeo e Controle que me
ajudou tecnicamenteA Escola Teacutecnica CEDTEC pelo apoio para construccedilatildeo do protoacutetipo que serviu de referencia
para este trabalho
A empresa Schneider Electric pela doaccedilatildeo do controlador Zeacutelio cabo de comunicaccedilatildeo e fonte
de alimentaccedilatildeo
A empresa Elipse Software pelo empreacutestimo da licenccedila de utilizaccedilatildeo do software de sistema
supervisoacuterio
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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64
REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Ficha catalograacutefica elaborada peloSIBi ndash Sistema Integrado de Bibliotecas UNITAU-Biblioteca das Engenharias
C837p Costa Etevaldo dos SantosProjeto e desenvolvimento de uma mesa XY para teste funcional de
teclados Etevaldo dos Santos Costa - 2013
65f il
Dissertaccedilatildeo(Mestrado em Engenharia Mecacircnica na aacuterea deAutomaccedilatildeo Industrial e Roboacutetica) - Universidade de TaubateacuteDepartamento de Engenharia Mecacircnica 2013
Orientaccedilatildeo Prof Dr Maacutercio Abud Marcelino Departamento deEngenharia Mecacircnica
Co-orientador Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo (UNESP)
1 Controle de qualidade 2 Modelagem matemaacutetica 3 ControladorPID I Tiacutetulo
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ETEVALDO DOS SANTOS COSTA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DETECLADOS
Dissertaccedilatildeo apresentada para obtenccedilatildeodo Tiacutetulo de Mestre pelo Curso Poacutes-Graduaccedilatildeo do Departamento de
Engenharia Mecacircnica da Universidadede TaubateacuteAacuterea de Concentraccedilatildeo AutomaccedilatildeoIndustrial e Roboacutetica
Data ____________________
Resultado _______________
BANCA EXAMINADORA
Prof Dr Marcio Abud Marcelino UNITAUUNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Pedro Paulo Leite Prado UNITAU
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Teacuteofilo Miguel de Souza UNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo UNESP
Assinatura______________________________________________________
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Aos meus filhos Etevaldinho Matheusinho e Amadinha
como prova de amor dedicaccedilatildeo determinaccedilatildeo e coragem
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof Dr Marcio Abud Marcelino pela habilidade e empenho com que orientou meu
trabalho
Ao Prof Dr Francisco Antonio Lotufo pelo importante apoio na orientaccedilatildeo
A minha Irmatilde Juciara que atuou neste momento da minha vida como guru professora
psicanalista
A minha linda esposa Marilza pela paciecircncia compreensatildeo e apoio
A minha ldquoVeiardquo minha matildee Lucila que sofreu e vibrou a cada instante desse trabalho
Ao meu grande amigo Evandro Paresqui futuro engenheiro de Automaccedilatildeo e Controle que me
ajudou tecnicamenteA Escola Teacutecnica CEDTEC pelo apoio para construccedilatildeo do protoacutetipo que serviu de referencia
para este trabalho
A empresa Schneider Electric pela doaccedilatildeo do controlador Zeacutelio cabo de comunicaccedilatildeo e fonte
de alimentaccedilatildeo
A empresa Elipse Software pelo empreacutestimo da licenccedila de utilizaccedilatildeo do software de sistema
supervisoacuterio
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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12
1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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17
Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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ETEVALDO DOS SANTOS COSTA
PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE UMAMESA XY PARA TESTE FUNCIONAL DETECLADOS
Dissertaccedilatildeo apresentada para obtenccedilatildeodo Tiacutetulo de Mestre pelo Curso Poacutes-Graduaccedilatildeo do Departamento de
Engenharia Mecacircnica da Universidadede TaubateacuteAacuterea de Concentraccedilatildeo AutomaccedilatildeoIndustrial e Roboacutetica
Data ____________________
Resultado _______________
BANCA EXAMINADORA
Prof Dr Marcio Abud Marcelino UNITAUUNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Pedro Paulo Leite Prado UNITAU
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Teacuteofilo Miguel de Souza UNESP
Assinatura______________________________________________________
Prof Dr Francisco Antocircnio Lotufo UNESP
Assinatura______________________________________________________
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Aos meus filhos Etevaldinho Matheusinho e Amadinha
como prova de amor dedicaccedilatildeo determinaccedilatildeo e coragem
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof Dr Marcio Abud Marcelino pela habilidade e empenho com que orientou meu
trabalho
Ao Prof Dr Francisco Antonio Lotufo pelo importante apoio na orientaccedilatildeo
A minha Irmatilde Juciara que atuou neste momento da minha vida como guru professora
psicanalista
A minha linda esposa Marilza pela paciecircncia compreensatildeo e apoio
A minha ldquoVeiardquo minha matildee Lucila que sofreu e vibrou a cada instante desse trabalho
Ao meu grande amigo Evandro Paresqui futuro engenheiro de Automaccedilatildeo e Controle que me
ajudou tecnicamenteA Escola Teacutecnica CEDTEC pelo apoio para construccedilatildeo do protoacutetipo que serviu de referencia
para este trabalho
A empresa Schneider Electric pela doaccedilatildeo do controlador Zeacutelio cabo de comunicaccedilatildeo e fonte
de alimentaccedilatildeo
A empresa Elipse Software pelo empreacutestimo da licenccedila de utilizaccedilatildeo do software de sistema
supervisoacuterio
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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18
Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
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PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Aos meus filhos Etevaldinho Matheusinho e Amadinha
como prova de amor dedicaccedilatildeo determinaccedilatildeo e coragem
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof Dr Marcio Abud Marcelino pela habilidade e empenho com que orientou meu
trabalho
Ao Prof Dr Francisco Antonio Lotufo pelo importante apoio na orientaccedilatildeo
A minha Irmatilde Juciara que atuou neste momento da minha vida como guru professora
psicanalista
A minha linda esposa Marilza pela paciecircncia compreensatildeo e apoio
A minha ldquoVeiardquo minha matildee Lucila que sofreu e vibrou a cada instante desse trabalho
Ao meu grande amigo Evandro Paresqui futuro engenheiro de Automaccedilatildeo e Controle que me
ajudou tecnicamenteA Escola Teacutecnica CEDTEC pelo apoio para construccedilatildeo do protoacutetipo que serviu de referencia
para este trabalho
A empresa Schneider Electric pela doaccedilatildeo do controlador Zeacutelio cabo de comunicaccedilatildeo e fonte
de alimentaccedilatildeo
A empresa Elipse Software pelo empreacutestimo da licenccedila de utilizaccedilatildeo do software de sistema
supervisoacuterio
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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12
1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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18
Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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64
REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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AGRADECIMENTOS
Ao Prof Dr Marcio Abud Marcelino pela habilidade e empenho com que orientou meu
trabalho
Ao Prof Dr Francisco Antonio Lotufo pelo importante apoio na orientaccedilatildeo
A minha Irmatilde Juciara que atuou neste momento da minha vida como guru professora
psicanalista
A minha linda esposa Marilza pela paciecircncia compreensatildeo e apoio
A minha ldquoVeiardquo minha matildee Lucila que sofreu e vibrou a cada instante desse trabalho
Ao meu grande amigo Evandro Paresqui futuro engenheiro de Automaccedilatildeo e Controle que me
ajudou tecnicamenteA Escola Teacutecnica CEDTEC pelo apoio para construccedilatildeo do protoacutetipo que serviu de referencia
para este trabalho
A empresa Schneider Electric pela doaccedilatildeo do controlador Zeacutelio cabo de comunicaccedilatildeo e fonte
de alimentaccedilatildeo
A empresa Elipse Software pelo empreacutestimo da licenccedila de utilizaccedilatildeo do software de sistema
supervisoacuterio
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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12
1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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39
A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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64
REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
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PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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ldquoDe tudo ficaram trecircs coisasA certeza de que estamos comeccedilandoA certeza de que eacute preciso continuarA certeza de que podemos serinterrompidos antes de terminarFaccedilamos da interrupccedilatildeo um caminho novo
Da queda um passo de danccedilaDo medo uma escadaDo sonho uma ponteDa procura um encontrordquo
Fernando Sabino
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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12
1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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18
Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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64
REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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RESUM0
A preocupaccedilatildeo pelo controle de qualidade dos produtos manufaturados em particular os
equipamentos com teclas dita a tocircnica deste trabalho Como a automaccedilatildeo industrial pode
intervir positivamente em um processo produtivo eacute proposta desta dissertaccedilatildeo apresentando
uma mesa com coordenadas XY que execute teste de funcionalidade de teclas de
equipamentos tais como teclado celular e balanccedilas O projeto e desenvolvimento dessa mesa
teve seu ponto de partida de um modelo experimental em seguida passou pela etapa
especificaccedilatildeo do conjunto eletromecacircnico obtenccedilatildeo de um modelo matemaacutetico que represente
as accedilotildees desejadas pelo projeto culminando entatildeo com a apresentaccedilatildeo de um controladorProporcional Integral Derivativo (PID) para garantir a exatidatildeo do posicionamento da mesa
Os sistemas fiacutesicos e o ambiente no qual eles operam muitas vezes podem natildeo ser
precisamente traduzidos em modelos matemaacuteticos podendo mudar de maneira imprevisiacutevel e
estando sujeitos a perturbaccedilotildees significativas entretanto com a simulaccedilatildeo de um modelo
virtual via SIMULINKMATLABreg do comportamento da mesa percebeu que a robustez do
controlador proporcionou resultados adequados no controle da mesa
Palavras-chave Controle de Qualidade Modelagem Matemaacutetica Controlador PID
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
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GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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ABSTRACT
The concern for quality control of manufactured products particularly those with key
equipment is the focus of this work As discussion of how industrial automation canpositively intervene in a production process is proposed in this dissertation present a tablewith XY coordinates to perform functional testing of key equipment such as keyboard mobileand scales The design and development of this table had its starting point in an experimentalmodel and then passed to the stage of specification of the electromechanical assembly to themathematical model that represents the desired actions by the culminating project and thenthe presentation of a Proportional Integral Derivative controller capable of ensuring theaccuracy of the positioning table Physical systems and the environment in which they operatecan not be translated into mathematical models since they can change unpredictably and aresubject to significant disturbances however with the simulation a virtual model viaSIMULINK MATLAB reg the behavior of table showed that the robustness of the controller
provides satisfactory results
Keywords Quality Control Mathematical Modeling PID controller
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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12
1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Protoacutetipo da mesa XY ----------------------------------------------------------- 13
Figura 2 Controle em malha aberta ------------------------------------------------------ 16
Figura 3 Controle em malha fechada------------------------------------------------------ 17
Figura 4 Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia ---------------------------- 19
Figura 5 Entrada degrau -------------------------------------------------------------------- 19
Figura 6 Entrada em rampa -------------------------------------------------------------- 20
Figura 7 Entrada em impulso ------------------------------------------------------------- 20
Figura 8 Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem ----------------------------------- 21
Figura 9 Curva de resposta ao degrau ----------------------------------------------------- 22Figura 10 Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem ----------------------------------- 22
Figura 11 Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau
unitaacuterio ----------------------------------------------------------------------------- 23
Figura 12 Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ -------------------- 24
Figura 13 Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos -------------------------------------------------------- 25
Figura 14 Efeito de adiccedilatildeo de zeros --------------------------------------------------------- 26
Figura 15 Esquema de um controlador em accedilatildeo conjunta com uma planta ---------- 26Figura 16 Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o
lugar das raiacutezes - rlocus(numdenk) ------------------------------------------ 28
Figura 17 Sistema de coordenadas cartesianas (Fonte Venturi 2012)----------------- 29
Figura 18 Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados --------------------------- 31
Figura 19 Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado --------------- 32
Figura 20 Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo -------------------------------------------------- 34
Figura 21 Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo ------------------------------------------- 36Figura 22 Controlador Zeacutelio (Fonte Schneider-Electric (2008)) ----------------------- 37
Figura 23 Detalhe do sensor indutivo ----------------------------------------------------- 37
Figura 24 Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio -------------------------------------- 38
Figura 25 Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias -------- 40
Figura 26 Mesa para deslocamento na coordenada X ------------------------------------ 41
Figura 27 Curva de velocidade versus torque do motor (FonteEletctrocraft (2011)) 46
Figura 28 Esquemaacutetico do motor CC (Fonte OGATA 2010) -------------------------- 47
Figura 29 Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico ---------------------------- 50
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Figura 30 Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa -------------- 54
Figura 31 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
(( + ( = 0 ------------------------------------------------------------------ 54
Figura 32 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando
( ) 0sΕ = --------------------------------------------------------------------------- 55
Figura 33 Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a
tensatildeo 1 e torque 001 ------------------------------------------------------ 55
Figura 34 Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa ---------------------------------------------- 56
Figura 35 Planta Sistema X com o controlador PID -------------------------------------- 57
Figura 36 Detalhes do controlador PID ---------------------------------------------------- 58
Figura 37 Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID ---------------------------- 59
Figura 38 Planta sem o controlador PID --------------------------------------------------- 59
Figura 39 Planta com o controlador PID -------------------------------------------------- 60
Figura 40 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope 60
Figura 41 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
sem controlador ------------------------------------------------------------------- 61
Figura 42 Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque
com controlador ------------------------------------------------------------------ 61Figura 43 Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope
quando aplicado uma perturbaccedilatildeo de 05 N ----------------------------------- 62
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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52
Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols ------ 30
Tabela 2 Simbologia utilizada nas figuras 19 e 20 ---------------------------------------- 35
Tabela 3 Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante -- 41
Tabela 4 Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante ---------------------- 46
Tabela 5 Comparativo planta com e sem PID ---------------------------------------------- 52
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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12
1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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SUMAacuteRIO
1 INTRODUCcedilAtildeO---------------------------------------------------------------------- 12
2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA---------------------------------------------------- 15
21 TEORIA DE CONTROLE----------------------------------------------------------- 15
22 MESA XY------------------------------------------------------------------------------ 29
3 MODELO EXPERIMENTAL---------------------------------------------------- 31
31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL
DE TECLADOS----------------------------------------------------------------------- 32
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS---------------------------------------- 33
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES------------------------------------------------ 394 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO------------ 41
5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO MODELO PROPOSTO 47
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO--------------------------------------------------------------- 47
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO
MOTOR CC E MESA X---------------------------------------------------------- 52
53 MODELAGEM DA PLANTA----------------------------------------------------- 5554 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID------------------------------------- 56
6 RESULTADOS----------------------------------------------------------------------- 59
7 CONCLUSOtildeES---------------------------------------------------------------------- 63
REFEREcircNCIAS--------------------------------------------------------------------------------- 64
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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25
Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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1 INTRODUCcedilAtildeO
A automaccedilatildeo industrial pode intervir positivamente no processo produtivo permitindo
que o controle de qualidade de produtos produzidos em escala industrial possa ter niacuteveis
confiaacuteveis com rapidez e tambeacutem reduzir os riscos ergonocircmicos inerentes agrave atividade de
qualquer trabalhador Determinados testes de controle de qualidade satildeo executados
manualmente ou muitas vezes natildeo satildeo feitos pois natildeo haacute condiccedilatildeo humanas para realizaacute-los
O teste que deveria ser feito com o teclado de balanccedilas eletrocircnicas eacute um exemplo bastante
significativo da impossibilidade humana de executar determinadas atividades Nesse teste o
objetivo eacute comprovar que a vida uacutetil de cada tecla de um determinado modelo de balanccedila
eletrocircnica eacute de um milhatildeo de acionamentos Desta forma se o ensaio for manual otrabalhador deveria acionar a tecla tambeacutem um milhatildeo de vezes atividade que natildeo
conseguiria executar
Estudos tecircm demonstrado que existe uma preocupaccedilatildeo muito grande com a temaacutetica
discutida neste trabalho como por exemplo o realizado por Garcia (2008) que empregou a
aplicaccedilatildeo da metodologia Seis Sigmas para melhoria de processo utilizando automaccedilatildeo
industrial Entretanto o diferencial desse trabalho eacute o controle de qualidade em produtos comteclas que precisam ser checadas uma a uma tais como teclados de computador notebook
telefones celulares ou de mesa balanccedilas eletrocircnicas entre outros
O objetivo deste trabalho eacute apresentar um modelo de mesa que se desloca segundo
coordenadas cartesianas com a finalidade de controle de qualidade no que tange o
funcionamento de teclas
Foi desenvolvido um protoacutetipo da referida mesa como mostra a figura 1 permitindo
assim a especificaccedilatildeo das cargas dinacircmicas e estaacuteticas que a envolve todo o conjunto e em
seguida definiu-se um modelo matemaacutetico que representa as caracteriacutesticas do sistema
O controle de posiccedilatildeo da mesa XY eacute de vital importacircncia para a qualidade de
desempenho todavia efetuar esse posicionamento natildeo eacute tarefa faacutecil principalmente em
virtude de variantes internas e externas que acometem todo o conjunto aleacutem de influecircncia
muacutetua entre os eixos Para garantir o correto posicionamento eacute interessante tambeacutem propor
um modelo matemaacutetico de um controlador E para esse sistema o controlador escolhido foi
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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52
Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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proporcional derivativo e integral (PID) devido a sua simplicidade de implantaccedilatildeo e
operaccedilatildeo aliado a sua eficaacutecia
Figura 1 - Protoacutetipo da mesa XY
De acordo com Gaither e Frazier (2002) apud Werner e Menezes (2009) as empresas
estatildeo cada vez mais investindo nas estrateacutegias operacionais visando agrave automaccedilatildeo como
alternativa de reduccedilatildeo de custos e melhoria na qualidade Neste sentido se a mesa XY para
teste funcional de teclados for implantada pela induacutestria no que se refere ao seu controle de
qualidade os resultados esperados satildeo
Zero de doenccedilas ocupacionais neste setor pois o sistema dispensa intervenccedilatildeo humana
Rapidez nos testes por se tratar de sistema com grande flexibilidade para adaptar-se a
diversos modelos de produtos a partir de uma programaccedilatildeo preacutevia
Confiabilidade de resultados pois os testes podem ser feitos em frequecircncias maiores
registrados e comparados e consequentemente pode ser feito um diagnoacutestico dos principais
problemas que possam existir
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Este trabalho possui a seguinte organizaccedilatildeo
O capiacutetulo 1 apresenta uma visatildeo geral o objetivo e as justificativas dessa investigaccedilatildeo
No capiacutetulo 2 eacute feita uma revisatildeo bibliograacutefica sobre a teoria de controle e de mesa XY que
datildeo sustentaccedilatildeo a todo trabalho
No capiacutetulo 3 se faz detalhamento do protoacutetipo que serviu como base para criaccedilatildeo de um
modelo matemaacutetico
No capiacutetulo 4 realiza-se dimensionamento do motor a ser utilizado no sistema
No capiacutetulo 5 apresenta a modelagem matemaacutetica do modelo proposto
No capiacutetulo 6 discutem-se os resultados fazendo um comparativo do modelo matemaacutetico com
e sem uso do controlador PID
E por fim o capiacutetulo 7 apresenta as consideraccedilotildees finais e sugestotildees de trabalhos futuros
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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33
32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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52
Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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2 REVISAtildeO BIBLIOGRAacuteFICA
2 1 TEORIA DO CONTROLE
Para Nise (2011) um sistema de controle consiste em subsistemas e processos
construiacutedos de forma a oferecer uma saiacuteda com desempenho desejado a partir de uma entrada
especificada
Existem razotildees importantes para a utilizaccedilatildeo de um sistema de controle ressalta Nise
(2011) entre elas eacute a possibilidade de um controle remoto amplificaccedilatildeo da potecircncia
conveniecircncia da forma de entrada e a compensaccedilatildeo por perturbaccedilotildees
Em se tratando de automaccedilatildeo industrial a dinacircmica do processo eacute um ponto relevante a
ser observado
Entende-se por dinacircmica o estudo da interaccedilatildeo de forccedilas e energia produzindo
movimento (OXFORD ADVANCED LEANERrsquoS DICTIONARY Apud MORAES
CASTRUCCI [2012])
O controle pode atuar em processos discretos e contiacutenuos
Entende-se por processos discretos os ldquosistemas que atendem aos eventos discretos
internos e externos com sinais tambeacutem discretos de acordo com riacutegidas regras de causa e
efeito ou com regras estatiacutesticasrdquo (MORAES CASTRUCCI 2012 p6)
Abertura e fechamento de contatos acionamentos temporizaccedilotildees sistemas de alarme
e proteccedilatildeo satildeo exemplos de controle discretos tambeacutem conhecidos como controle de eventos
ou controle loacutegico
Moraes e Castrucci (2012) definem processos contiacutenuos como sistemas que tecircm sua
evoluccedilatildeo decorrente de eventos instantacircneos repetitivos ou esporaacutedicos
Para processos contiacutenuos eacute papel do controle que nesse caso eacute conhecido como
controle dinacircmico estabelecer o comportamento estaacutetico e dinacircmico dos sistemas fiacutesicos de
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
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MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
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NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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modo que dentro de certos limites o processo fique imune a perturbaccedilotildees (MORAES
CASTRUCCI 2012)
Satildeo exemplos de controle de processos contiacutenuo o controle de temperatura vazatildeo
niacutevel pressatildeo (variaacuteveis analoacutegicas)
Para o estudo da engenharia de automaccedilatildeo alguns paracircmetros devem ser conceituados
(OGATA 2010)
Variaacutevel controlada grandeza que eacute medida e controlada
Variaacutevel manipulada grandeza variada pelo controle de modo a afetar a variaacutevel controlada
Distuacuterbio perturbaccedilatildeo que afeta de modo adverso a variaacutevel controlada Ex ruiacutedo Processo eacute o objetivo do sistema de automaccedilatildeo a ldquofinalidaderdquo Todas as accedilotildees satildeo
realizadas para se conseguir este objetivo
Sistema combinaccedilatildeo de componentes que atuam em conjunto com um objetivo Natildeo
necessita ser algo fiacutesico
Planta eacute o sistema a ser controlado Ex mesa XY
O sistema de controle pode ocorrer em malha aberta ou em malha fechada
Nise (2011) define malha aberta ou malha fechada como configuraccedilotildees da arquitetura
internas do sistema de controle
No sistema em malha aberta (figura 2) o sinal de saiacuteda natildeo eacute medido e natildeo afeta a
accedilatildeo de controle e a exatidatildeo do sistema depende de uma calibraccedilatildeo
Figura 2 - Controle em malha aberta
Em relaccedilatildeo ao controle em malha fechada (figura 3) o sinal de realimentaccedilatildeo R sinal
originado do sensor da variaacutevel controlada eacute comparado com o set-point X (valor desejado)
A diferenccedila obtida desta comparaccedilatildeo que eacute o erro E eacute utilizada como paracircmetro de
entrada do controle que atua na planta com objetivo de eliminar ou diminuir o proacuteprio erro
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
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Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Figura 3 - Controle em malha fechada
Para projetar sistemas de controles eacute necessaacuterio conhecer bem a dinacircmica do processo
O comportamento dinacircmico de um determinado processo pode ser descrito por um modelomatemaacutetico (DORF BISHOP 2011)
O Modelo matemaacutetico consiste em um conjunto de equaccedilotildees que representam com
certa precisatildeo a dinacircmica do sistema (OGATA 2010)
Ogata (2010) ressalta que o binocircmio simplicidade e precisatildeo nos resultados de anaacutelise
em um modelo matemaacutetico devem estar alinhados Contudo muitas vezes para simplificar um
determinado modelo ignora-se algumas propriedades fiacutesicas
Visando a facilitar a anaacutelise matemaacutetica pode-se fazer a equivalecircncia de sistemas natildeo
lineares para sistemas lineares desde que sejam avaliado determinadas faixas de operaccedilatildeo
(DORF BISHOP 2011)
Ogata (2010) afirma que um sistema eacute dito linear quando o respeita o principio da
superposiccedilatildeo e da homogeneidade
A superposiccedilatildeo acontece quando a resposta produzida pela aplicaccedilatildeo simultacircnea de
duas ou mais funccedilotildees de determinaccedilatildeo diversas eacute a soma das respostas individuais (OGATA
2010)
A modelagem matemaacutetica dos sistemas dinacircmicos eacute representada por um conjunto de
equaccedilotildees diferenciais simultacircneas (DORF BISHOP 2011)
A fim de transformar estas equaccedilotildees diferenciais em equaccedilotildees algeacutebricas deve-se
usar o conceito de funccedilatildeo de transferecircncia (FT) (OGATA 2010)
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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28
A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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30
Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Considere um sistema linear invariante no tempo definida pela seguinte equaccedilatildeo
diferencial
+ + ⋯ + + = + + ⋯ + + (1)
Onde
eacute o sinal de saiacuteda do sistema e eacute o sinal de entrada e ge
A funccedilatildeo de transferecircncia eacute a relaccedilatildeo entre a transformada de Laplace da variaacutevel de
saiacuteda e a transformada de Laplace da variaacutevel entrada admitindo que as condiccedilotildees iniciais satildeozero (OGATA 2010) ou seja
( = ( (
(2)
condiccedilotildees iniciais nula
Assim
( = ( ( = + + ⋯ + + + + ⋯ + + (3)
Para Nise (2011) a funccedilatildeo de transferecircncia viabiliza dividir a entrada e a saiacuteda em
trecircs partes separadas e distintas permitindo uma anaacutelise mais faacutecil da funccedilatildeo diferentemente
do que ocorre com a equaccedilatildeo diferencial
Nise (2011) afirma tambeacutem que a funccedilatildeo de transferecircncia pode combinaralgebricamente as representaccedilotildees matemaacuteticas do subsistema de forma a se obter um modelo
uacutenico
O requisito para utilizar uma funccedilatildeo de transferecircncia eacute que o sistema seja linear e
invariante no tempo e descrito por equaccedilotildees diferenciais (OGATA 2010)
A funccedilatildeo de transferecircncia pode ser representada graficamente atraveacutes de diagrama deblocos como pode ser visto na figura 4 (OGATA 2010)
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Figura 4 - Representaccedilatildeo graacutefica da funccedilatildeo de transferecircncia
Pode se resumir da seguinte forma as propriedades da funccedilatildeo de transferecircncia
As FTacutes de sistemas fisicamente diferentes podem ser idecircnticas Natildeo fornece informaccedilatildeo
quanto a estrutura do sistema
Se a FT de um sistema for conhecida esta pode ser estudada para diferentes tipos de sinal
de entrada
Se a FT for desconhecida pode ser obtida a partir de sinais de entrada conhecidos
A FT descreve as caracteriacutesticas fiacutesicas do sistema de forma relativamente precisa
Apoacutes obter o modelo matemaacutetico o sistema eacute analisado a partir de sua resposta
temporal que eacute composta da resposta transitoacuteria e da resposta estacionaacuteria Sendo que a parte
transitoacuteria avalia o tempo de subida e de acomodaccedilatildeo e o sobressinal enquanto a parte
estacionaacuteria preocupa-se com o erro em regime permanente (OGATA 2010)
De modo geral o sinal de entrada de um sistema natildeo eacute conhecido previamente pois eacute
de caraacuteter aleatoacuterio e seus valores instantacircneos natildeo podem ser expressos de maneira analiacutetica
Poreacutem os sistemas satildeo analisados a partir de sinais tiacutepicos (OGATA 2010)
O s sinais tiacutepicos de anaacutelise e testes satildeo (OGATA 2010)
Entrada degrau
Figura 5- Entrada degrau
A funccedilatildeo de entrada em degrau (figura 5) representa uma mudanccedila instantacircnea na
entrada de referecircncia Esta funccedilatildeo eacute muito utilizada para revelar a velocidade que um sistema
responde a entradas com mudanccedilas abruptas
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
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Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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Entrada em rampa
Nessa funccedilatildeo mostrada na figura 6 a variaccedilatildeo de R eacute gradual A funccedilatildeo rampa tem a
habilidade de testar como o sistema pode responder a um sinal que muda linearmente com o
tempo
Figura 6 - Entrada em rampa
Entrada em impulso
Figura 7 - Entrada em impulso
Observando a figura 7 percebe-se que o impulso unitaacuterio eacute nulo exceto em um
intervalo de tempo muito pequeno nas vizinhanccedilas do instante = Nesse intervalo a
amplitude eacute muito grande e igual a Quando rarr 0 a amplitude tende a infin poreacutem de tal
modo que a aacuterea sob a curva permanece constante e igual a 1 daiacute o nome impulso unitaacuterio
Quando a entrada eacute um impulso o sistema sofre accedilatildeo tipo surto
Da observaccedilatildeo da resposta temporal pode-se definir um sistema quanto a sua situaccedilatildeo
de estabilidade para sistemas lineares e invariantes no tempo (OGATA 2010)
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Sistema Estaacutevel a saiacuteda do sistema retorna ao estado de equiliacutebrio mesmo apoacutes o sistema
ser submetido a uma condiccedilatildeo inicial
Sistema Criticamente Estaacutevel apresenta oscilaccedilotildees que se conservam indefinidamente
Sistema Instaacutevel a saiacuteda diverge apoacutes o sistema ser submetido a uma nova condiccedilatildeo
A figura 8 apresenta uma funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
Figura 8 - Funccedilatildeo de transferecircncia de primeira ordem
A expressatildeo 4 mostra a aplicaccedilatildeo de um degrau na funccedilatildeo de transferecircncia de
primeira ordem (OGATA 2010)
( = 1
1
( + 1
(4)
( = 1 minus (5)
Onde
( saiacuteda no domiacutenio de Laplace
y(t) saiacuteda no domiacutenio do tempo
( = 1
degrau unitaacuterio na entrada
constante de tempo
tempo
A expressatildeo 5 descreve a curva da figura 9 e a partir delas pode-se definir (DORF
BISHOP 2011)
Constante de tempo (
Trata-se do tempo para ( alcanccedilar 6321 do valor final da resposta ao degrau
aplicado
Tempo de subida (
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Eacute o tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 90 do seu valor final
Tempo de assentamento (
Eacute o tempo necessaacuterio para a curva alcanccedilar e permanecer dentro de uma faixa entorno
de 2 do seu valor final Na figura 9 observa-se que o tempo de assentamento ocorre
quando se tem valores maiores que cinco constantes de tempo 5
Figura 9 - Curva de resposta ao degrau
A figura 10 mostra a funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem resultante da
aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio na entrada do sistema onde eacute a frequecircncia natural natildeoamortecida e eacute o coeficiente de amortecimento
Figura 10 - Funccedilatildeo de transferecircncia de segunda ordem
A curva apresentada na figura 11 mostra os paracircmetros do sistema apoacutes a aplicaccedilatildeode um degrau unitaacuterio (OGATA 2010)
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Figura 11 - Paracircmetros da resposta do sistema de 2ordf ordem a aplicaccedilatildeo de um degrau unitaacuterio
Onde
valor do degrau unitaacuterio (valor para o qual tende assintoticamente a resposta)
tempo morto ou dead time (atraso da resposta ao sinal do degrau)
tempo de subida (tempo necessaacuterio para a resposta passar de 10 a 90 do seu
valor final)
tempo de pico (tempo que a resposta leva para atingir o seu valor maacuteximo)
tempo em regime permanente (tempo ao fim do qual a resposta se encontra
definitivamente dentro de determinada margem em torno do valor final Eacute habitual
definir-se a largura dessa margem em percentagem do valor final e eacute frequente a
utilizaccedilatildeo em uma margem de 2 a 5)
sobre-elevaccedilatildeo ou overshoot (diferenccedila entre o valor maacuteximo e o valor final da
resposta geralmente medida como percentagem)
periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas (periacuteodo das oscilaccedilotildees amortecidas que a resposta
apresenta entorno do valor final Esses paracircmetros soacute se definem no caso de essas
oscilaccedilotildees existirem e serem perioacutedicas)
Avaliando o comportamento da resposta em funccedilatildeo do amoretecimento ζ a figura
12 apresenta (OGATA 2010)
Sistema subamortecido 0 lt ζ lt 1
Sistema criticamente amortecido ζ = 1
Sistema superamortecido ζ gt 1
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Figura 12 - Curvas para alguns valores do fator de amortecimento ζ
A caracteriacutestica da resposta transitoacuteria de um sistema estaacute relacionada agrave localizaccedilatildeo
dos poacutelos em malha fechada Quando tal sistema estaacute sujeito agrave accedilatildeo de um ganho variaacutevel agrave
localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada depende do valor deste ganho (OGATA 2010)
Eacute importante saber como os poacutelos em malha fechada se movem no plano
quando o
ganho eacute variado A ferramenta para essa tarefa eacute o meacutetodo do lugar das raiacutezes Eacute uma
ferramenta graacutefica que torna possiacutevel prever a localizaccedilatildeo dos poacutelos em malha fechada
devido agrave variaccedilatildeo do ganho (OGATA 2010)
Regras gerais para construccedilatildeo do lugar das raiacutezes (OGATA 2010)
Localize os poacutelos e zeros em malha aberta no plano
Os pontos onde o ganho
= 0satildeo os poacutelos portanto cada lugar das raiacutezes do sistema se
origina num poacutelo e termina em um zero
Se o nuacutemero de poacutelos em malha aberta excede o nuacutemero de zeros supotildee-se que os zeros
restantes estatildeo no infinito
Lugar das raiacutezes no eixo real se o nuacutemero de raiacutezes (poacutelos ou zeros) agrave direita do ponto de
teste for iacutempar o ponto em questatildeo eacute ponto de lugar das raiacutezes
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 poacutelos existe um ponto de separaccedilatildeo
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 2 zeros existe um ponto de chegada
No eixo real se o lugar das raiacutezes ocorre entre 1 poacutelo e um 1 zero o ponto pode ser de
chegada ou de separaccedilatildeo
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Para o projeto de um sistema de controle algumas especificaccedilotildees de desempenho satildeo
desejadas especificaccedilotildees que se relacionam com exatidatildeo estabilidade relativa e velocidade
de resposta (OGATA 2010)
Visando atender essas especificaccedilotildees surge a compensaccedilatildeo que diz respeito a
modificaccedilotildees na dinacircmica do sistema A primeira opccedilatildeo para ajustar um sistema de controle eacute
a alteraccedilatildeo do ganho contudo somente isso pode ser insuficiente e neste caso surge a
necessidade de reprojetar o sistema alterando a sua estrutura (compensaccedilatildeo) (OGATA 2010)
O desafio eacute escolher poacutelos e zeros para o compensador de modo que altere o formato
do lugar das raiacutezes e deste modo permita-se que o sistema alcance as especificaccedilotildees dedesempenho desejadas (OGATA 2010)
O lugar das raiacutezes pode indicar que natildeo se consegue alcanccedilar as especificaccedilotildees
desejadas apenas pela alteraccedilatildeo do ganho Ou ainda pode ser que o sistema natildeo seja estaacutevel
para todos os valores de ganho Nesses casos a compensaccedilatildeo com poacutelos e zeros torna-se
interessante pois permite alterar a forma do lugar das raiacutezes e com isso chegar tambeacutem a
valores de ganho que faccedilam o sistema atender agraves especificaccedilotildees (OGATA 2010)
Efeito da adiccedilatildeo de poacutelos (figura 13) a adiccedilatildeo de poacutelos tem o efeito de deslocar o
lugar das raiacutezes para a direita tendendo a diminuir a estabilidade do sistema e fazendo com
que a acomodaccedilatildeo da resposta seja mais lenta (OGATA 2010)
Figura 13 - Efeito de adiccedilatildeo de poacutelos
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
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NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Controladores do tipo integral
Controladores do tipo derivativo
Controladores do tipo proporcional mais integral (PI)
Controladores do tipo proporcional mais derivativo (PD)
Controladores do tipo proporcional mais integral mais derivativo (PID)
Caracteriacutesticas da accedilatildeo de controle PID satildeo (OGATA 2010)
Quando a resposta transitoacuteria e em regime permanente eacute satisfatoacuteria sem a necessidade de
compensaccedilatildeo dinacircmica basta a utilizaccedilatildeo do controle proporcional
Para melhorar a resposta em regime permanente utiliza-se a accedilatildeo PI
Para melhorar a resposta transitoacuteria do sistema utiliza-se a accedilatildeo PD A accedilatildeo de controle PID eacute utilizada para melhorar a resposta transitoacuteria e a resposta em
regime permanente adicionando 2 zeros e 1 poacutelo ao sistema
Podendashse citar trecircs aspectos relevantes do controlador PID
Adiccedilatildeo de controle proporcional (P) que melhora o tempo de subida
Adiccedilatildeo de controle derivativo (D) que melhora o efeito da sobre-elevaccedilatildeo
Adiccedilatildeo de controle integral (I) que elimina o erro em regime permanente
O controlador proporcional integral e derivativo (PID) eacute de uso frequente ateacute mesmo
pela sua simplicidade Geralmente observa-se que os controladores PID satildeo particularmente
uacuteteis para reduzir o erro em regime permanente e melhorar a reposta transitoacuteria quando a
funccedilatildeo de transferecircncia possui um ou dois poacutelos (DORF BISHOP 2011)
O PID possui a seguinte funccedilatildeo de transferecircncia (DORF BISHOP 2011)
( = + + (6)
Onde
e paracircmetros do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e
derivativa respectivamente
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dadaespecificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
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A tarefa de sintonia de controladores PID na maioria dos casos eacute realizada de forma
empiacuterica A tarefa basicamente consiste em variar os ganhos do controlador e avaliar o
impacto destas variaccedilotildees junto a variaacutevel de saiacuteda do processo (PEREIRA 2012)
Em 1942 Ziegler e Nichols publicaram um trabalho que com base em alguns dados
experimentais do processo o operador fosse capaz de determinar um conjunto de paracircmetros
iniciais e de controladores tipo PID (PEREIRA 2012)
Os principais procedimentos para implementar o meacutetodo de Ziegler-Nichols satildeo
(OGATA 2010)
Primeiro Passo determinar a funccedilatildeo de transferecircncia da malha aberta com controlador
proporcional ou seja eliminando a parte integral e a derivativa
Segundo Passo determinar o ganho criacutetico que pode ser feito atraveacutes do lugar das
raiacutezes do sistema em malha aberta que faz com que a resposta do sistema oscile com
amplitude constante quando a entrada sofrer uma variaccedilatildeo do tipo degrau A determinaccedilatildeo do
lugar das raiacutezes pode ser observado na figura 16 a partir de um comando rlocus do
MATLABreg
Figura 16 - Ganho criacutetico determinado pelo comando do Matlabreg para traccedilar o lugar das raiacutezes -rlocus(numdenk)
Terceiro passo traccedilar a resposta ao degrau do sistema e verificar a oscilaccedilatildeo mantida da
resposta
Quarto Passo determinaccedilatildeo do periacuteodo criacutetico que eacute o periacuteodo de oscilaccedilatildeo do sinal
traccedilado no graacutefico mostrado na figura 16 e pode ser calculado substituindo por naequaccedilatildeo caracteriacutestica do sistema em malha fechada e fazendo =
-2 -15 -1 -05 0 05 1-25
-2
-15
-1
-05
0
05
1
15
2
25
Real Axis
I m a g A x i s
Ganho criacutetico K c
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Quinto Passo usando a tabela 1 de Ziegler-Nichols juntamente com os valores de e
obteacutem-se os ajustes do PID
Tabela 1 - Valores para ajustar o controlador PID pelo meacutetodo Ziegler-Nichols
Tipo do controlador KP KI Kd
P 05 KC -- --
PI 045KC PC12 ---
PID 06KC 05PC 0125PCFonte Ogata 2010
Sexto Passo obter a resposta ao degrau com o PID ajustado de acordo com o meacutetodo deZiegler-Nichols
22 MESA XY
Uma mesa XY trabalha de acordo com o sistema de coordenadas cartesianas Segundo
Venturi (2012) coordenadas cartesianas eacute um sistema de eixos ortogonais que se localiza em
um plano constituiacutedo de duas retas orientadas X e Y perpendiculares entre si e de mesma
origem O (figura 17)
Figura 17 - Sistema de coordenadas cartesianasFonte Venturi 2012
Pode-se associar a cada ponto do plano (figura 17) um par ordenado de nuacutemeros
reais Assim fica determinado por suas coordenadas cartesianas tambeacutem conhecidas como
coordenadas retangulares (VENTURI 2012)
= (
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Onde
abcissa de
ordenada de
Santos e Vasques (2010) definem uma mesa de coordenadas como sistema mecacircnico
com dois eixos dispostos perpendicularmente sob uma mesa bidimensional com liberdade de
movimento em duas dimensotildees do espaccedilo e acionados por motores eleacutetricos
As mesas XY devido agrave sua grande versatilidade podem ser utilizadas em diversas
aplicaccedilotildees das aacutereas industriais comerciais e de serviccedilos tais como maacutequinas ferramenta
robocircs industriais dosadores de fluido fabricaccedilatildeo de placas de circuitos impressos etc
(MENEZES et al 2010)
Costa Marcelino e Lotufo (2013) afirmam que a qualidade do desempenho de uma
mesa de coordenadas cartesianas passa seu correto posicionamento sendo assim o controle
desta posiccedilatildeo eacute de vital importacircncia
Erro de trajetoacuteria implica em falha no posicionamento da mesa Contudo algumas
teacutecnicas de controle podem ser aplicadas para permitir a correccedilatildeo desses erros Desta forma
Santos e Vasques (2010) Menezes et al(2010) e Costa Marcelino e Lotufo (2013)
demonstraram que a aplicaccedilatildeo de suas teacutecnicas foram eficazes melhorando consideravelmente
a performance da mesa
Os conceitos revistos neste capiacutetulo satildeo suficientes para o bom entendimento dos
proacuteximos
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
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NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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3 MODELO EXPERIMENTAL
Para reproduzir um processo automatizado que teste o funcionamento de teclas de
equipamentos como teclado de computador notebook celular entre outros foi desenvolvido
um protoacutetipo de uma mesa para teste funcional de teclado (figura 18) que se desloca segundo
uma matriz de 38 linhas x 52 colunas Essa matriz eacute equivalente a um retacircngulo de 1672 mm
x 2288 mm ou seja 38255 mmsup2 de aacuterea
Figura 18 ndash Protoacutetipo da mesa para teste funcional de teclados
Como pode ser observado na figura 18 para esse modelo optou-se em se manter a um
cilindro pneumaacutetico fixo onde sua haste desce para acionar a tecla a ser testada e
imediatamente sobe depois de ter acionado a referida tecla Entretanto a mesa XY eacute moacutevel
permitindo que a tecla selecionada para o teste se posicione em qualquer posiccedilatildeo dentro da
matriz para qual o protoacutetipo foi desenvolvido Para posicionar a mesa eacute necessaacuterio inserir
coordenadas no controlador
Optou-se por essa configuraccedilatildeo onde o cilindro pneumaacutetico eacute fixo e a mesa moacutevel
pela questatildeo construtiva Neste modelo apesar de estar deslocando uma consideraacutevel massa
se torna mais faacutecil do que deslocar o cabeamento e as mangueiras do circuito pneumaacutetico
caso cilindro fosse moacutevel
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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31 FLUXOGRAMA DE ACcedilOtildeES DA MESA PARA TESTE FUNCIONAL DE TECLADOS
O fluxograma apresentado na figura 19 mostra a sequecircncia e encadeamento das accedilotildees
executadas pela mesa XY para o deslocamento em X uma vez que esta coordenada eacute o objeto
de estudo deste trabalho e que a coordenada Y tem similaridade no seu posicionamento com
a coordenada X
Figura 19 - Fluxograma da accedilatildeo da mesa para teste funcional de teclado
No modelo experimentalpode ser inserido ateacute 20coordenadas
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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32 CARACTERIacuteSTICAS CONSTRUTIVAS
A seguir segue uma breve descriccedilatildeo construtiva do protoacutetipo
Caracteriacutesticas Mecacircnicas
A estrutura do protoacutetipo eacute de accedilo 1020 sup1 formada por cantoneira de 1 4 de largura e
tamanho de 500 x 1000 Eacute composta por uma mesa que se desloca de acordo com
os dois eixos cartesianos O que permite a movimentaccedilatildeo desta mesa eacute que a mesma estaacute
fixada a dois fusos de 1 4 de diacircmetro com rosca triangular cada um e esses por sua vez a
motores eleacutetricos de corrente contiacutenua por meio de um acoplamento fixo e riacutegido de
polietileno
Caracteriacutesticas Eleacutetricas
A figura 20 apresenta o digrama eleacutetrico do protoacutetipo O controlador eacute o SR3B 261
BD da SCHNEIDER com 16 entradas e 10 saiacutedas digitais Nas entradas do controlador
estatildeo conectados os bototildees liga desliga e start que satildeo do tipo normalmente aberto bem
como os sensores indutivos responsaacuteveis pelo correto posicionamento da mesa e da haste do
cilindro pneumaacutetico As saiacutedas do controlador satildeo transistorizadas o que implica em um
baixo valor de corrente de carga Sendo assim para controlar as cargas que compotildeem a mesa
no qual possuem correntes com valores superiores a da saiacuteda do controlador se faz necessaacuterio
a utilizaccedilatildeo de releacutes eletromagneacuteticos como interface entre controlador e a carga Para
alimentar o controlador as entradas do controlador e as bobinas dos releacutes eletromagneacuteticos eacute
utilizado uma fonte retificadora de 127 para 24 1 O restante do sistema eacute
alimentado por uma fonte de retificadora 127 para 12 8 Os motores utilizados na
movimentaccedilatildeo da mesa satildeo de corrente contiacutenua de 12 3 Os releacutes eletromagneacuteticos
satildeo de 12 com 04 contatos comutadores com capacidade de carga de 5 cada Toda a
sinalizaccedilatildeo eacute feita por LEDS de 10 com cores diferentes para cada funccedilatildeo O motor
eleacutetrico do compressor que eacute responsaacutevel pelo suprimento de ar da linha pneumaacutetica eacute de
12 3 A proteccedilatildeo eacute feita por dois fusiacuteveis um para entrada de corrente alternada e outro
para a parte corrente contiacutenua
1 Accedilo 1020 que eacute um accedilo de baixo carbono segundo norma SAE ( Society of Automotive Engineers ndash EUA) eleconteacutem apenas 02 de carbono Eacute de faacutecil usinabilidade alta tenacidade baixa dureza e baixo custo Aclassificaccedilatildeo do accedilo 1020 de acordo com as normas da SAE baseada na composiccedilatildeo quiacutemica do accedilo eacute a maisutilizada em todo o mundo
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Figura 20 - Diagrama eleacutetrico do protoacutetipo
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Tabela 2 ndash Simbologia utilizada na figura 20
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Caracteriacutesticas Pneumaacuteticas
A figura 21 ilustra o diagrama pneumaacutetico do sistema que conteacutem um cilindro de ar
tipo padratildeo com dupla accedilatildeo e haste uacutenica com detecccedilatildeo magneacutetica que eacute responsaacutevel por
acionar a tecla quando estiver devidamente posicionada Entretanto a subida e descida da
haste eacute comandada pela operaccedilatildeo de duas vaacutelvulas direcionais de 3 2 vias eletropneumaacuteticas
com alimentaccedilatildeo de 24 O ar gerado para o funcionamento do sistema pneumaacutetico eacute
suprido por um compressor com capacidade maacutexima 250
Figura 21 - Diagrama pneumaacutetico do protoacutetipo
Caracteriacutesticas da Automaccedilatildeo
O controlador Zeacutelio esquematizado na figura 20 e mostrado na figura 22 eacute
responsaacutevel por todo o processo de automaccedilatildeo do sistema monitorando controlando e
tomando decisatildeo tendo sua programaccedilatildeo feita em linguagem de bloco de funccedilatildeo (figura 24) a
partir do Zeacutelio Software Caso um computador esteja conectado ao controlador ele pode
monitorar o processo inserir accedilotildees de trabalho ou ateacute mesmo intervir diretamente na
operaccedilatildeo do sistema
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Figura 22 - Controlador ZeacutelioFonte Schneider-Electric (2008)
Para permitir que as teclas a serem testadas possam ser posicionadas no local desejado
a mesa conta com sensores indutivos (figura 23) localizados nos acoplamentos dos motores
com cada fuso Estes sensores enviam continuamente sinais eleacutetricos para o controlador Da
mesma forma para identificar se a haste do cilindro pneumaacutetico estaacute alto ou baixo satildeo
utilizados dois sensores de efeito Hall (figura 25) um para cada posiccedilatildeo tambeacutem enviando
sinais eleacutetricos para o controlador
Figura 23 - Detalhe do sensor indutivo
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Figura 24 - Diagrama em bloco do controlador Zeacutelio
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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A figura 24 representa a programaccedilatildeo do controlador utilizado no protoacutetipo A
linguagem de programaccedilatildeo escolhida foi a de bloco de funccedilatildeo utilizando software Zelio Soft 2
versatildeo 45
Observando a figura 24 pode-se perceber que nas entradas representadas pela letra I
estatildeo conectados os bototildees e os sensores Jaacute na saiacuteda representado pela Q estatildeo conectados
os LEDS de sinalizaccedilatildeo o motor que faz o movimento na coordenada X (direita Q5 e
esquerda Q4) o motor que faz o movimento na coordenada Y (direita Q2 e esquerda Q3) e o
cilindro pneumaacutetico (descer haste Q7 e subir haste Q8)
A loacutegica criada a partir da interaccedilatildeo entre cada bloco do programa eacute que permite a
interaccedilatildeo dos dispositivos de saiacuteda com os sinais enviados pelos dispositivos de entrada
33 DESCRICcedilAtildeO DAS OPERACcedilOtildeES
Inicialmente deve-se fixar na mesa o equipamento que sofreraacute o controle de qualidade
Pode ser um teclado de computador telefone teclado de notebook ou outro dispositivo
qualquer com teclas Deve-se criar uma referecircncia do equipamento a ser testado com o
cilindro que eacute um ponto fixo do sistema
Figura 25 - Detalhe do cilindro dos sensores Hall e das reacuteguas de referecircncias
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Para obtenccedilatildeo desta referecircncia devem-se fixar as reacuteguas desenvolvidas
especificamente para o protoacutetipo (figura 25) no corpo do dispositivo de teste Alinham-se as
linhas vermelhas que satildeo pontos centrais das duas reacuteguas que devem estar segundo o eixo X
e Y com a haste do cilindro pneumaacutetico Em seguida satildeo inseridas no computador todas as
coordenadas XY referente agrave tecla a ser testada Estas coordenadas satildeo combinaccedilotildees de
nuacutemeros binaacuterios podendo obter no maacuteximo 20 coordenadas por teste Depois de
programadas as coordenadas transfere-se o programa para o controlador Zeacutelio
Conforme a figura 24 ao acionar o botatildeo liga (botatildeo I2) e em seguida o botatildeo start
(I3) inicia-se o teste tecla por tecla A mesa comeccedila a se deslocar e a cada volta completa de
cada fuso da mesa os sensores indutivos (Figura 23) que monitoram as coordenadas XYenviam pulsos eleacutetricos para o controlador Estes pulsos eleacutetricos satildeo interpretados pelo
controlador fazendo a mesa se posicionar no local desejado
Devidamente posicionada a tecla a ser testada a haste do cilindro (Figura 25) desce
acionando a mesma De imediato a haste sobe Os dispositivos que interagem com o
controlador para indicar se a haste do cilindro estaacute em alto ou estaacute em baixo satildeo dois sensores
de efeito Hall (Figura 25) Uma vez acionado a tecla pela haste do cilindro sinais eleacutetricossatildeo enviados pelo teclado para o controlador Havendo sinal de tensatildeo o controlador
interpreta que a tecla se encontra em perfeito funcionamento e atribui a essa condiccedilatildeo o valor
1 caso contraacuterio na ausecircncia deste sinal de tensatildeo a intepretaccedilatildeo eacute de tecla defeituosa
atribuindo assim o valor 0
Ao final do teste gera-se um relatoacuterio O sistema repete o descrito conforme a
programaccedilatildeo do controlador O nuacutemero maacuteximo de coordenadas que podem ser acionadasneste protoacutetipo eacute igual a 20 Ao final do ciclo o sistema eacute automaticamente desligado
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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4 ESPECIFICACcedilOtildeES DO CONJUNTO ELETROMECAcircNICO
A figura 26 ilustra os componentes eletromecacircnicos que compotildeem o sistema destinado
a deslocar a mesa horizontalmente segundo a coordenada X As interaccedilotildees mecacircnicas do
conjunto eacute a base para selecionar corretamente o motor CC de maneira a atender as
especificaccedilotildees do projeto
Figura 26 - Mesa para deslocamento na coordenada X
A seguir descreve-se o detalhamento matemaacutetico das grandezas fiacutesicas que atuam no
conjunto eletromecacircnico apresentado na figura 26 A partir dos dados informados pelo
fabricante exposto na tabela 3 permite calcular o torque e a potecircncia necessaacuteria do motor
para se adequar ao sistema Vale ressaltar que o dimensionamento deste trabalho eacute destinado
para a coordenada X pois estaacute sendo considerado que a coordenada Y apresenta semelhanccedila
de desempenho
Tabela 3 - Dados construtivos dos componentes da mesa fornecido pelo fabricante
ESPECIFICACcedilAtildeO MECAcircNICA DOS COMPONENTES DA MESA
Comprimento do fuso 800 Massa do fuso 150 Passo do fuso 180 mm
Diacircmetro do fuso 12 Coeficiente de atrito accedilo-accedilo 050
Comprimento da mesa 40 mmCarga maacutexima na mesa 5
Massa da mesa 350 Coeficiente de atrito do rolamento 0005
Coeficiente de atrito viscoso do rolamento
1010
Diacircmetro do acoplamento 16 Massa do acoplamento 100
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Caacutelculo do momento de ineacutercia da mesa
= 2 (7
= (350 + 500 000182
= 7010
Onde
momento de ineacutercia da mesa em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
passo do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do fuso
= 12 (8
= 12 15000127
2
= 30210
Onde
momento de ineacutercia do fuso em
massa do fuso em
raio do fuso em
Caacutelculo do momento de ineacutercia do acoplamento
= 12 (9 = 1
2 0100162
= 3210
Onde
momento de ineacutercia do acoplamento em
massa do acoplamento em
raio do acoplamento em
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Caacutelculo do momento de ineacutercia total do conjunto
= + + (10
= 7010
+ 30210
+ 3210
= 34110
Onde
momento de ineacutercia total do conjunto em
Caacutelculo da velocidade transversal do deslocamento da mesa
ω = 60 (11
2500 = 00018 60
= 0075
Onde
ω velocidade angular em - foi escolhida para obter o maior valor possiacutevel levando em
consideraccedilatildeo o torque o rendimento e a potecircncia do motor segundo a curva velocidadeversus torque fornecido pelo fabricante (figura 27)
velocidade transversal do deslocamento da mesa em
passo do fuso em
Caacutelculo da aceleraccedilatildeo
=
(12
= 00075027 = 0028
Onde
aceleraccedilatildeo em
velocidade transversal do deslocamento da mesa
tempo que a velocidade do motor leva para atingir o regime permanente de funcionamento
(tabela 5)
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Caacutelculo da aceleraccedilatildeo angular
ω =
(13
ω = 2(002800018 ω = 9769
Onde
aceleraccedilatildeo angular em
aceleraccedilatildeo em
passo do fuso em
Caacutelculo do Torque estaacutetico
= μ + μ
2 (14
= 00018050(350 + 500980 + (005(150(980
2 = 0012
Onde
torque estaacutetico em
passo do fuso em
μ forccedila de atrito entre a mesa da carga e o fuso em
μ forccedila de atrito no fuso refletida no rolamento em
μ coeficiente de atrito accedilo-accedilo
μ coeficiente de atrito no rolamento
aceleraccedilatildeo da gravidade em
massa total da mesa (massa da proacutepria mesa + massa da carga sobre a mesa) em
massa do fuso em
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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Torque na Mesa
= ω + (ω + (15
= (34110(9769 + (2500(10 + 0012 = 004
Onde
torque maacuteximo na mesa em
momento de ineacutercia total do conjunto em
aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso em
ω velocidade angular em middot
torque estaacutetico em
Potecircncia necessaacuteria para transladar a mesa
= 2ω60 (16
= 2(004(250060
= 1047
Onde
potecircncia necessaacuteria para o motor transladar a mesa em
torque maacuteximo na mesa em ω velocidade angular em
Portanto para deslocar a mesa eacute necessaacuterio um motor que tenha um torque superior a
= 004 e uma potecircncia miacutenima de = 1047
As informaccedilotildees pertinentes ao motor selecionado podem ser observadas atraveacutes da
figura 27 que apresenta a curva de velocidade versus torque e tambeacutem mediante a consulta databela 4 que mostra os dados construtivos do referido motor
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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60
Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Figura 27 - Curva de velocidade versus torque do motorFonteEletctrocraft (2011)
Tabela 4 - Dados construtivos do motor fornecido pelo fabricante
ESPECICACcedilOtildeES DO MOTOR DE CORRENTE CONTIacuteNUA
Conjugado 007 Pico de torque 032
Tensatildeo de alimentaccedilatildeo 12 Corrente maacutexima
4
Pico de corrente 10 Peso liacutequido 060
Comprimento 1020 cmNuacutemero de poacutelos 2
Resistecircncia 080 Indutacircncia 110
Momento de ineacutercia 34110 Constante do motor 2542
Coeficiente de atrito viscoso
10
Fonte Eletctrocraft (2011)
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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5 MODELAGEM MATEMAacuteTICA DO SISTEMA
O modelo matemaacutetico ao mesmo tempo em que apresenta precisatildeo nos resultados de
anaacutelise deve ser simples Para alcanccedilar esta simplicidade algumas consideraccedilotildees devem serfeitas sem contudo alterar a essecircncia do modelo (OGATA 2010) Por esse motivo a
interaccedilatildeo do deslocamento da mesa em Y com o deslocamento da mesa em X natildeo foi
particularmente avaliado
No entanto como as caracteriacutesticas eletromecacircnicas da mesa em relaccedilatildeo a coordenada
Y se aproximam da mesa em relaccedilatildeo a coordenada X pode-se replicar o modelo de uma
coordenada para outra
51 DESENVOLVIMENTO DO MODELO MATEMAacuteTICO DO CONJUNTO
ELETROMECAcircNICO
A figura 28 representa o modelo fiacutesico de um motor CC
Figura 28 - Esquemaacutetico do motor CC
Fonte OGATA 2010
Considerando que no motor CC a corrente de campo eacute constante e o eixo eacute riacutegido
atraveacutes da Lei de Kirchhoff obteacutem se o modelo a equaccedilatildeo (17)
( = (( + + ( (17)
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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50
Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em
Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em
(
derivada da corrente que circula pelo indutor ndash corrente instantacircnea em
( forccedila contraeletromotrotriz em
A forccedila contraeletromotriz ( eacute uma tensatildeo proporcional agrave velocidade angular
conforme apresentado na expressatildeo (18) e depende das caracteriacutesticas construtivas do motor
( = ( = (
(18
Onde
( forccedila contraeletromotrotriz
constante de proporcionalidade em
ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
( velocidade angular em
( derivada da posiccedilatildeo angular ndash velocidade angular em
Em relaccedilatildeo ao conjunto mecacircnico (figura 28) o torque do motor CC aplicado sobre o
fuso que desloca um dos eixos da mesa pode ser representado de acordo com a segunda Lei
de Newton conforme a expressatildeo (19)
( = ( + ( + ω(
+ ( (19)
Onde
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em ( torque referente agrave mesa em
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
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DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
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FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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momento de inercia do motor em
( derivada da velocidade angular ndash aceleraccedilatildeo angular em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( velocidade angular em
(
+ ( torque do motor em
Naturalmente nem toda a potecircncia desenvolvida pelo motor eacute entregue a carga Parte
dessa potecircncia eacute perdida por corrente de Foucault e histerese O torque referente a essa perda
foi representado por
O torque desenvolvido pelo motor supondo um fluxo magneacutetico constante deve ser
igual ao torque total descrito em funccedilatildeo da corrente de acordo com a expressatildeo (20)
( = ( (20
Onde( torque total do conjunto eletromecacircnico em constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)( corrente de armadura em
Aplicando a transformada de Laplace nas expressotildees (17) a (20) obteacutem se as
expressotildees (21) a (24) respectivamente
( = (( + ( + ( (21)
( = Ω( = Θ ( (22)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (23)
( = ( (24)
Comparando as expressotildees (23) e (24) obteacutem se a expressatildeo (25)
( minus ( minus ( = ( + Ω( (25
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Substituindo as expressotildees (21) e (22) e isolando a velocidade angular obteacutem se a
expressatildeo (26) que representa o modelo do motor
Ω( = ( minus Ω( 1 + minus (( + ( 1 + (26)
Onde
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
( resistecircncia eleacutetrica da armadura em Ω
( corrente de armadura em
indutacircncia de dispersatildeo da armadura em ( forccedila contraeletromotrotriz em
e constante de proporcionalidade em ndash valor informado pelo fabricante
(FITZGERALD et al 2006)
Ω( velocidade angular em
Θ( posiccedilatildeo angular em
( torque total do conjunto eletromecacircnico em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
momento de inercia do motor em
coeficiente de atrito viscoso (mancais do rotor) em
( + Ω( torque do motor em
A figura 29 mostra o diagrama em blocos da funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo
(26)
Figura 29 - Diagrama em blocos do conjunto eletromecacircnico
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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63
7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
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SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Percebe-se que existem duas entradas e a saiacuteda velocidade angular Ω( A funccedilatildeo
de transferecircncia pode ser representada pela expressatildeo (27)
Ω( = (( + ((( + ( (27
Aplicando o teorema da superposiccedilatildeo e considerando ( + ( = 0 obteacutem-se
( = Ω( ( (28
Onde( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo
Ω( velocidade angular em
( tensatildeo de alimentaccedilatildeo do motor em
Rearranjando a expressatildeo (27) em funccedilatildeo da expressatildeo (28) obteacutem-se a expressatildeo
(29)
( = ( + ( + + + + (29
Igualmente aplicando o teorema da superposiccedilatildeo na expressatildeo (27) poreacutem
considerando agora ( pode se escrever a expressatildeo (30)
( = Ω(( + ( (30
Onde
( Funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angular torque
Ω( velocidade angular em
( torque referente agraves demais perdas em
( torque referente agrave mesa em
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
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para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
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MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
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OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
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PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
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VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
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Agora se a expressatildeo (27) estiver em funccedilatildeo da expressatildeo (30) consegue a seguinte
expressatildeo
( = 1 + 1 + ( + ( +
(31
Considerando que a potecircncia mecacircnica solicitada pela mesa deve ser igual agrave potecircncia
eleacutetrica absorvida no rotor pode-se supor que as constantes de proporcionalidades utilizadas
nas expressotildees (29) e (31) satildeo iguais ou seja = (FITZGERALD et al 2006)
Substituindo os valores das variaacuteveis fornecidas pelo fabricante do motor selecionado
para o projeto (tabela 4) e desprezando a indutacircncia de dispersatildeo da armadura que eacute muito
pequena pode se re-escrever a funccedilatildeo de transferecircncia agora como de primeira ordem
conforme a expressatildeo (32) e (33)
( = 3919
0042 + 1 (32
( = minus1244000042 + 1 (33
52 ANAacuteLISE DA FUNCcedilAtildeO DE TRANSFEREcircNCIA DO CONJUNTO MOTOR CC E
MESA X
Para a funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo (expressatildeo 32) aplicou-se um
degrau unitaacuterio (OGATA 2010) e encontrou a resposta da velocidade angular dada pelaexpressatildeo (34)
Ω( = 1 3919
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = 39191 minus (34)
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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60
Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Desta forma quando o tempo tender para cinco constantes de tempo a velocidade
angular tende para 3919
Para funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartorque (expressatildeo 33) aplicou-se
igualmente um degrau unitaacuterio de torque e encontrou se a resposta da velocidade angular
dada pela expressatildeo (35)
Ω( = 1 minus1244
0042 + 1
Usando a transformada inversa de Laplace
( = minus12441 minus (35)
Em regime permanente um acreacutescimo no torque de 1 faz com que a velocidade
angular do motor decaia para 124400
Na anaacutelise da funccedilatildeo de transferecircncia velocidade angulartensatildeo considerou-se a
perturbaccedilatildeo pelo torque como sendo zero Jaacute em relaccedilatildeo agrave funccedilatildeo de transferecircncia de
velocidade angular torque atribuiu-se agrave tensatildeo de entrada o valor zero ou seja o conjunto
motor - mesa foi observado em separado
Para ratificar os valores obtidos pela superposiccedilatildeo aplicada nas expressotildees (34) e (35)
executou-se a simulaccedilatildeo no SIMULINK (figura 30) da expressatildeo (26) utilizando o diagrama
em blocos da figura 29 e os dados obtidos na tabela 4
A curva da figura 31 gerada pelo SIMULINK (figura 30) considera a tensatildeo com um
valor unitaacuterio e o torque igual a zero Verifica-se que a mesma estaacute coerente com a proposiccedilatildeo
inicial de anaacutelise em separado velocidade angulartensatildeo e velocidade angular torque
Da mesma forma a figura 32 mostra que a curva gerada a partir da simulaccedilatildeo no
SIMULINK (figura 30) agora com a tensatildeo igual a zero e um degrau unitaacuterio de torque a
concordacircncia com a proposiccedilatildeo inicial permanece
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Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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54
Figura 30 - Simulaccedilatildeo da funccedilatildeo transferecircncia do conjunto motor- mesa
Figura 31 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando (( + ( = 0
Jaacute para a figura 33 observa-se o comportamento da velocidade em funccedilatildeo da tensatildeo
de entrada e o torque A curva gerada no SIMULINK foi obtida a partir de 1 de tensatildeo de
entrada e de 001 de torque ou seja para um pequeno valor de perturbaccedilatildeo dada pelo
torque levou a velocidade angular que deveria ser 3919 cair para 2540
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55
Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Figura 32 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando ( ) 0sΕ =
Figura 33 - Curva gerada no SIMULINK da velocidade angular considerando a tensatildeo 1 e torque 001
53 MODELAGEM DA PLANTA
A funccedilatildeo de transferecircncia da expressatildeo (26) foi condensada em um uacutenico bloco como
pode se observar na simulaccedilatildeo da figura 34 intitulada de PLANTA MOTOR ndash MESA Pode
se observar tambeacutem que agora a saiacuteda a ser controlada natildeo eacute mais a velocidade angular pois
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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63
7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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seu valor foi integrado dando a posiccedilatildeo angular Desta forma com a realimentaccedilatildeo da malha
estuda-se a resposta aos pulsos de saiacutedas ( em relaccedilatildeo aos pulsos de entrada (
Utilizando o MATLAB983214 pode-se determinar a funccedilatildeo de transferecircncia que representa
todos os subsistemas da figura 34 doravante denominada de Planta do Sistema X (PSX) que
pode ser visto na figura 26 cujo valor estaacute representado na expressatildeo (36)
= 00252375 + 27281 + 000063584 + 00252 (36
Figura 34 - Simulaccedilatildeo da Planta Motor- Mesa
54 MODELAGEM DO CONTROLADOR PID
O controlador PID possui a funccedilatildeo de transferecircncia
(s = + + (DORF BISHOP 2011) onde e satildeo os paracircmetros
do controlador referentes agraves funccedilotildees proporcional integral e derivativa respectivamente
A implementaccedilatildeo de um controlador PID junto agrave planta do sistema X da figura 35
tem como objetivo que a variaacutevel de saiacuteda no caso a posiccedilatildeo possa retomar seu ponto de
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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60
Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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ajuste dentro de um tempo prescrito e com um erro toleraacutevel sempre que houver distuacuterbios
na planta
Figura 35 - Planta Sistema X com o controlador PID
A planta do Sistema X apresenta estabilidade para o regime permanente poreacutem natildeo eacute
imune a distuacuterbios que podem acontecer durante o funcionamento Dentro dessas
perturbaccedilotildees que podem afetar o funcionamento da planta pode-se retomar a discussatildeo
ilustrada na figura 33 que mostra que se o torque tiver um incremento de 001 a
velocidade angular decresce de 3919 para 2540
O processo de selecionar paracircmetros do controlador que garantam uma dada
especificaccedilatildeo de desempenho eacute conhecido como sintonia do controlador (OGATA 2010)
Apoacutes a anaacutelise do comportamento dinacircmico da planta do Sistema X foram determinados os
paracircmetros PID com o propoacutesito de sintonizar o controlador O ponto inicial para seleccedilatildeo dos
referidos valores do PID foi agrave aplicaccedilatildeo meacutetodo de Ziegler-Nichols de malha fechada
O meacutetodo Ziegler-Nichols de malha fechada consiste em fazer que o processo oscile
de forma natildeo amortecida Para isso os valores das parcelas derivativa e integral satildeo fixados
em zero e o valor da parcela proporcional deve ser tal que leve o sistema a instabilidade Para
escolha do valor proporcional pode-se utilizar o criteacuterio de estabilidade de Routh A este
valor de que torna o sistema instaacutevel eacute conhecido como ganho criacutetico De posse do ganho
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criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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60
Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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58
criacutetico aplica-se no sistema e em seguida mede-se o periacuteodo T das oscilaccedilotildees Com os valores
do ganho criacutetico e do periacuteodo deve substituir nas equaccedilotildees proposta por Ziegler-Nichols
calculando entatildeo
e
para proceda a sintonia do controlador
O meacutetodo Ziegler-Nichols fornece uma estimativa inicial para os paracircmetros do
controlador que muitas vezes natildeo apresenta um resultado satisfatoacuterio A partir dos valores
obtidos pela aplicaccedilatildeo do meacutetodo Ziegler-Nichols buscando melhor desempenho do
controlador procedeu-se vaacuterias tentativas de ajustes de forma empiacuterica e com auxilio da
simulaccedilatildeo no SIMULINK obtendo os valores finais observados na ilustraccedilatildeo 36
Figura 36 - Detalhes do controlador PID
A funccedilatildeo de cada paracircmetro no contexto do controlador PID eacute
O paracircmetro proporcional (60) tem a funccedilatildeo de reduzir o erro em regime permanente
O paracircmetro integral (15) estaacute relacionado agrave velocidade de reaccedilatildeo do processo
O paracircmetro derivativo (11) reduz o tempo morto
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6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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59
6 RESULTADOS
Realizou-se uma anaacutelise comparativa da planta do sistema X com e sem a
implementaccedilatildeo do controlador PID conforme apresentado na figura 37
Figura 37 - Simulaccedilatildeo da planta com PID X planta sem PID
Os paracircmetros obtidos satildeo resultantes da simulaccedilatildeo no SIMULINK permitindo assim
gerar graacuteficos para anaacutelise do desempenho do sistema Os graacuteficos satildeo
1- Planta Sistema X sob accedilatildeo de um degrau unitaacuterio A figura 38 mostra a planta sem o
controlador PID e a figura 39 com o controlador PID
Figura 38 - Planta sem o controlador PID
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Figura 39 - Planta com o controlador PID
2- Comportamento da planta do Sistema X sobre accedilatildeo de um gerador de pulsos
unitaacuterio tendo um graacutefico de saiacuteda atraveacutes do Scope (Figura 40)
Figura 40 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador PID via scope
3- Anaacutelise graacutefica com perturbaccedilatildeo de 001 N de torque e excitaccedilatildeo por um degrau
unitaacuterio
Figura 41 Planta sem controlador
Figura 42 Planta com controlador
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
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ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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Figura 41 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque sem controlador
Figura 42 - Planta Sistema X sobre influecircncia de uma perturbaccedilatildeo 001 N de torque com controlador
Comparando as figuras 41 e 42 percebe-se que a planta do sistema X que tem um
controlador PID mesmo sob a influecircncia de um distuacuterbio da ordem de 001 N consegue que a
saiacuteda acompanhe o valor de referencia de entrada
4- A figura 43 mostra o comportamento da planta sob a influecircncia de uma perturbaccedilatildeo
de 05 N de torque constante Nessa situaccedilatildeo a planta do sistema X que conta com sintonia do
controlador PID apresenta tambeacutem um decreacutescimo no valor da saiacuteda contudo este valor desaiacuteda eacute ainda muito superior ao da planta sem o controlador
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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63
7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
httpslidepdfcomreaderfullprojeto-e-desenvolvimento-de-uma-mesa-xy-para-teste-funcional-de-teclados-1 6667
64
REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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Figura 43 - Sinal de saiacuteda da planta sistema X com e sem controlador via scope quando aplicado umaperturbaccedilatildeo de 05 N
A traduccedilatildeo dos resultados obtidos apoacutes a simulaccedilatildeo pode ser observada na tabela 5
demonstrando que a resposta estaacute proacutexima da desejada pelo sistema com o controlador PID
Tabela 5 - Comparativo planta com e sem PID
Paracircmetros Sem controlador PID Com controlador PID
Tempo morto ou atraso (θ) 5micros 0 sTempo de subida 70 ms 80 msTempo de pico maacuteximo (Overshoot) 120 ms 0 sTempo de acomodaccedilatildeo 270 ms 80 msResposta de saiacuteda quando submetido auma perturbaccedilatildeo de 001N
Meacutedia de 70 dodegrau de entrada
Praticamente inalterado
Overshoot 289 ZeroCoeficiente de amortecimento( Damping)
0368 Maior que 1
Tipo de sistema Subamortecido Sobreamortecido
Observaccedilotildees1- Os valores de tempo morto de subida acomodaccedilatildeo foram obtidos a partir da
simulaccedilatildeo no simulink2- Os valores de overshoot e coeficiente de amortecimento foram obtidos mediante a
aplicaccedilatildeo da funccedilatildeo rlocus do MATLAB983214983086
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
de funcionalidade de teclados pode se especificar as particularidades construtivas de uma
mesa XY e propocircs um modelo matemaacutetico que descrevesse com boa aproximaccedilatildeo as
caracteriacutesticas de desempenho do referido sistema Como a precisatildeo do posicionamento da
mesa eacute o fator de relevacircncia nesse estudo devido ao teste de teclados foi implementado um
controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
planta via simulaccedilatildeo por meio de SIMULINK mostraram-se satisfatoacuterios ateacute na presenccedila de
distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
cartesiana inserida fato este que comprova a robustez do controlador Pela certeza da robustez
do controlador esse estudo se concentrou na mesa que se posiciona na coordenada X e a
coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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REFEREcircNCIAS
COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
OGATA k Engenharia de Controle Moderno 5 ed Satildeo Paulo ndash SP Person Prentice Hall2010 809p
------ k Soluccedilatildeo de problemas de Engenharia de Controle com MATLAB Satildeo Paulo ndashSP Person Prentice Hall 1997 330p
PEREIRA LFA HAFFNER JF Disponiacutevel emlthttpwwwfengpucrsbr~gacsnewdisciplinaspsc_CNapostilasAula6pdfgt Acesso em15 de outubro de 2012
SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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7 CONCLUSOtildeES
Esse trabalho demonstrou que a partir de um modelo experimental aplicado no teste
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controlador PID para atuar na planta do sistema X Os resultados obtidos de desempenho da
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distuacuterbios de ateacute 05 N de torque Essa estabilidade da planta diante a uma perturbaccedilatildeo
garante que a mesa XY natildeo apresenta dificuldade de se posicionar em qualquer coordenada
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coordenada Y foi considerada por intermeacutedio de aproximaccedilatildeo matemaacutetica Para trabalhos
futuros pode se avaliar com mais exatidatildeo o conjunto e suas influecircncias muacutetuas bem com
outras aplicaccedilotildees da mesa XY acircmbito industrial
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COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
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DORF RC BISHOP RH Sistemas de Controle Modernos 11ed Rio de Janeiro ndashRJLTC 2011 628 p
GARCIA MVR Aplicaccedilatildeo da Metodologia Seis Sigma para Melhoria de ProcessoUtilizando Automaccedilatildeo Industrial Dissertaccedilatildeo de mestrado Taubateacute ndash SP ndash Universidade deTaubateacute ndash Departamento de Engenharia Mecacircnica ndash 2008
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MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
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NISE NS Engenharia de Sistema de Controle 5 ed Rio de Janeiro ndash RJ LTC 2011682 p
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SCHNEIDER ELECTRIC Cataacutelogo Zeacutelio 2008 77 p
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SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
SEW EURODRIVE Seleccedilatildeo de Acionamentos Meacutetodos de Caacutelculos e ExemplosCataacutelogo Satildeo Paulo 2004 - v1 - 155 p
SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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COSTA ES MARCELINO MA LOTUFO FA Estudo da Dinacircmica de uma Mesa XY
para Teste Funcional de teclados Revista SODEBRAS SP v8 n 86 fevmar 2013Disponiacutevel em httpwwwsodebrascombredicoesN86pdfgtAcesso em 12 fev 2013
ELETROCRAFT Especificaccedilatildeo de motores e drives Catalogo 2011 34 p
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FITZGERALD AE KINGSLEY JR C UMANS SD Maacutequinas Eleacutetricas 6 ed PortoAlegre Bookman 2006 648 p
MENEZES JB et al Controlador Vetorial Neural para Mesa de Coordenadas XY SbaControle amp Automaccedilatildeo Campinas v21 n4 JulyAug 2010
MORAES CC CASTRUCCI PL Engenharia de Automaccedilatildeo Industrial 2 ed Rio deJaneiro ndash RJ LTC 2007 347 p
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7222019 Projeto e Desenvolvimento de Uma Mesa Xy Para Teste Funcional de Teclados (1)
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SILVEIRA PR SANTOS W Automaccedilatildeo e Controle Discreto 3 ed Satildeo Paulo ndash SPEacuterica 1988
VENTURI JJ Aacutelgebra Vetorial e Geometria Analiacutetica 9ed Curitiba ndash PR 2012 242p
WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009
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65
SANTOS MMD VASQUES F Projeto e Controle de Posiccedilatildeo de um Sistema de Mesa-XY Um Estudo de Caso In XVII Brazilian Congress of Automatic - CBA2008 2008 Juizde Fora - Brazil
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WENER J MENEZES FM A Automaccedilatildeo como Ferramenta para Aumentar aProdutividade de uma Empresa Calccediladista [Artigo Cientiacutefico] Novo Hamburgo - RS -Universidade FEEVALE ndash Departamento de Gestatildeo da Produccedilatildeo ndash 2009