Controle Realimentado aplicado em uma planta de levitação a ar de uma bola no tubo de baixo custo
DOI:
https://doi.org/10.5902/2179460X84132Palavras-chave:
Educação em engenharia de controle, Levitação da bola com ar no tubo, Modelagem matemática, Ferramentas de controle clássico, Controle PIDResumo
Ferramentas educacionais comerciais para ensinar conceitos de controle realimentado em engenharia elétrica e mecânica são geralmente caras, grandes, complexas
e possuem instrumentos muitos sensíveis; portanto, não pode ser utilizado em universidades com restrições orçamentárias, o que dificulta muito o ensino de conceitos básicos de teoria e aplicação de controle. As ferramentas matemáticas que são ensinadas nas disciplinas de teoria de controle no curso de graduação são muitas vezes abstratas, principalmente em termos de aplicação prática em ambiente industrial, o que torna necessário o uso de plantas de controle didáticas para complementar o ensino e a experimentação prática. Este artigo apresenta um sistema de laboratório de levitação a ar com bola e tubo de baixo custo como uma ferramenta de ensino para engenharia. A planta para laboratório de bola e tubo é um sistema dinâmico padrão, projetado para controlar a posição da bola em um fluxo de ar ascendente vertical que neutraliza a força gravitacional exercida na bola sem suporte mecânico. Um soprador alimenta o fluxo de ar e a posição da bola é medida usando um sensor de distância ultrassônico. Como o objetivo do artigo é servir de material de apoio para alunos de graduação que estão dando seus primeiros passos no estudo da teoria e aplicação de controle e controle realimentado, são apresentadas modelagens detalhadas pelas leis da física, seguidas de ferramentas clássicas para o estudo de controle linear e então um sistema de controle proporcional-integral-derivativo (PID) é desenvolvido. Uma estrutura modificada do PID clássico é utilizada e os resultados são comparados com a estrutura clássica.
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Referências
Amirkhani, S., Nahvi, A. (2016). Design and implementation of an interactive virtual control laboratory using haptic interface for undergraduate engineering students. Computer Applications in Engineering Education, 24(4), 508–518.
Bridges, S., Robinson, L. (2020). A practical handbook for drilling fluids processing. Gulf Professional Publishing.
Chacon, J., Saenz, J., De la Torre, L., Diaz, J. M., Esquembre, F. (2017). Design of a low-cost air levitation system for teaching control engineering. Sensors, 17(10), 2321.
Chen, X., Song, G., Zhang, Y. (2010). Virtual and remote laboratory development: A review. Earth and Space 2010: Engineering, Science, Construction, and Operations in Challenging Environments, pp. 3843–3852.
Chołodowicz, E., Orlowski, P. (2017). Low-cost air levitation laboratory stand using matlab/simulink and arduino. Pomiary Automatyka Robotyka, 21, 33–39.
Escano, J. M., Ortega, M. G., Rubio, F. R. (2005). Position control of a pneumatic levitation system. Em: 2005 IEEE Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, IEEE, vol 1, pp. 6–pp.
Esposito, W. J., Mujica, F. A., Garcia, D. G., Kovacs, G. T. (2015). The lab-in-a-box project: An arduino compatible signals and electronics teaching system. Em: 2015 IEEE Signal Processing and Signal Processing Education Workshop (SP/SPE), pp. 301–306.
Feisel, L. D., Rosa, A. J. (2005). The role of the laboratory in undergraduate engineering education. Journal of engineering Education, 94(1), 121–130.
Froyd, J. E., Wankat, P. C., Smith, K. A. (2012). Five major shifts in 100 years of engineering education. Proceedings of the IEEE, 100(Special Centennial Issue), 1344–1360.
Garrigós, A., Marroquí, D., Blanes, J. M., Gutiérrez, R., Blanquer, I., Cantó, M. (2017). Designing arduino electronic shields: Experiences from secondary and university courses. Em: 2017 IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON), pp. 934–937.
Gunasekaran, M., Potluri, R. (2012). Low-cost undergraduate control systems experiments using microcontroller-based control of a dc motor. IEEE Transactions on Education, 55(4), 508–516.
Jernigan, S., Fahmy, Y., Buckner, G. (2009). Implementing a remote laboratory experience into a joint engineering degree program: Aerodynamic levitation of a beach ball. Education, IEEE Transactions on, 52, 205 – 213.
Kheir, N., Åström, K. J., Auslander, D., Cheok, K. C., Franklin, G. F., Masten, M., Rabins, M. (1996). Control systems engineering education. Automatica, 32(2), 147–166.
Kuo, C. L., Li, T. H. S., Guo, N. R. (2005). Design of a novel fuzzy sliding-mode control for magnetic ball levitation system. Journal of intelligent and Robotic Systems, 42, 295–316.
Ma, J., Nickerson, J. V. (2006). Hands-on, simulated, and remote laboratories: A comparative literature review. ACM Computing Surveys (CSUR), 38(3), 7–es.
Omar, H. M. (2018). Enhancing automatic control learning through arduino-based projects. European Journal of Engineering Education, 43(5), 652–663.
Qin, R., Duan, C. (2017). The principle and applications of bernoulli equation. Journal of Physics: Conference Series, 916(1), 012,038, URL https://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/916/1/012038.
Saenz, J., Chacon, J., de la Torre, L., Dormido, S. (2017). An open software - open hardware lab of the air levitation sys-tem. IFAC-PapersOnLine, 50(1), 9168–9173, URL https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405896317323364, 20th IFAC World Congress.
Takács, G., Konkoly, T., Gulan, M. (2019). Optoshield: A low-cost tool for control and mechatronics education.
Timmerman, P., Weele, K. (1999). On the rise and fall of a ball with linear or quadratic drag. American Journal of Physics - AMER J PHYS, 67, 538–546.
Tootchi, A., Amirkhani, S., Chaibakhsh, A. (2019). Modeling and control of an air levitation ball and pipe laboratory setup. Em: 2019 7th International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM), IEEE, pp. 29–34.
Uyanik, I., Catalbas, B. (2018). A low-cost feedback control systems laboratory setup via arduino–simulink interface. Computer Applications in Engineering Education, 26(3), 718–726.
Wojtulewicz, A., Chaber, P., Ławryńczuk, M. (2016). Multiple-input multiple-output laboratory stand for process control education. Em: 2016 21st International Conference on Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), pp. 466–471.
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