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BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE
E AUTOMAÇÃO
IURI PINHEIRO DO COUTO
RAFAEL SILVA XAVIER
SISTEMA DE CONTROLE DE POSICIONAMENTO DE PEÇAS
UTILIZANDO A PNEUMÁTICA PROPORCIONAL
Campos dos Goytacazes/RJ
2013
ii
IURI PINHEIRO DO COUTO
RAFAEL SILVA XAVIER
SISTEMA DE CONTROLE DE POSICIONAMENTO DE PEÇAS
UTILIZANDO A PNEUMÁTICA PROPORCIONAL
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia Fluminense como requisito parcial
para conclusão do curso de Bacharelado em
Engenharia de Controle e Automação.
Orientador: Prof. MSc. Eugênio Ferreira
Naegele da Silva
Campos dos Goytacazes/RJ
2013
iii
IURI PINHEIRO DO COUTO
RAFAEL SILVA XAVIER
SISTEMA DE CONTROLE DE POSICIONAMENTO DE PEÇAS
UTILIZANDO A PNEUMÁTICA PROPORCIONAL
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia Fluminense como requisito parcial
para conclusão do curso de Bacharelado em
Engenharia de Controle e Automação.
Aprovada em _____ Setembro de 2013
Banca Avaliadora:
...........................................................................................................................................
Prof. Eugênio Ferreira Naegele da Silva (orientador)
Mestre em Engenharia Elétrica - UFES
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/Campos
.................................................................................................................................
Prof. Leandro Souza Crespo
Mestre em Engenharia Elétrica - UFES
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/Campos
...........................................................................................................................................
Prof. Sérgio de Assis Galito de Araújo
Mestre em Engenharia Mecânica - UFF
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Fluminense/Campos
iv
RESUMO
Pneumática é o ramo da engenharia que estuda a aplicação do ar comprimido para a
tecnologia de acionamento e comando. Fornecimento de uma energia limpa e eficiente, custo
competitivo, boa resistência, possibilidade de operar em ambientes adversos, facilidade na
instalação, manutenção e controle das variáveis de trabalho são algumas características da
pneumática. A pneumática se desenvolveu ao ponto que é conhecida hoje, se tornando cada
vez mais importante nos diversos segmentos da automação industrial. Com isso, os
equipamentos pneumáticos passaram a necessitar de uma maior flexibilidade, versatilidade e
precisão. Em decorrência de tais mudanças, a pneumática proporcional tem ampliado sua
participação no mercado industrial, com o objetivo de proporcionar o controle de suas
variáveis de trabalho: força, torque, velocidade, aceleração e posição, nos níveis requeridos,
com o comando contínuo e automatizado. O presente trabalho apresenta a solução de um
servoposicionador pneumático, que utiliza a pneumática proporcional para o controle de
posição com alto nível de precisão.
Palavras-chave: Pneumática. Automação Industrial. Pneumática Proporcional.
v
ABSTRACT
Pneumatics is the branch of engineering that studies the application of compressed air to drive
and control technology. Providing a clean and efficient energy, competitive cost, good
strength, and ability to operate in harsh environments, ease of installation, maintenance and
control of the working variables are some characteristics of pneumatics. Pneumatics have
been developed to the point that it is known today, becoming more important in many
segments of industrial automation. Therefore, pneumatics equipment eventually required
greater flexibility, versatility and precision. As a result of such changes, proportional
pneumatics has expanded its market share, with the goal of providing control of their work
variables: force, torque, speed, acceleration and position at the required levels, with
continuous control and automated. This project presents a solution to a pneumatic positioning
system that uses proportional pneumatics to provide positioning control with high accuracy.
Keywords: Pneumatics. Industrial Automation. Pneumatic Proportional.
vi
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS
CD – Compact Disc
DAQ – Data Acquisicion
IFF – Instituto Federal Fluminense
LabVIEW- Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench.
NI – National Instruments
PC – Personal Computer
PI – Proporcional Integral
PID – Proporcional Integral Derivativo
VI – Virtual Instrument
vii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 – Unidade de condicionamento de ar ................................................................ 16
FIGURA 2 – Acumulador ...................................................................................................... 18
FIGURA 3 – Manifold ........................................................................................................... 18
FIGURA 4 – Atuador pneumático de dupla ação com haste ............................................. 19
FIGURA 5 – Atuador pneumático de dupla ação sem haste .............................................. 20
FIGURA 6 – Garra pneumática ............................................................................................ 21
FIGURA 7 – Válvula de controle de fluxo ........................................................................... 21
FIGURA 8 – Válvula de controle de fluxo variável unidirecional ..................................... 23
FIGURA 9 – Válvula pneumática direcional 5/2 vias com acionamento por solenóide e
retorno por mola .............................................................................................................. 23
FIGURA 10 – Número de posições de válvulas direcionais ................................................ 24
FIGURA 11 – Número de vias de válvulas direcionais ....................................................... 24
FIGURA 12 – Tipos de acionamento de válvulas direcionais ............................................ 25
FIGURA 13 – válvula proporcional e simbologia ............................................................... 26
FIGURA 14 – Curva característica da válvula proporcional ............................................ 27
FIGURA 15 – Curva da histerese da válvula proporcional ............................................... 27
FIGURA 16 – Curva do erro de parada para trás da válvula proporcional ................... 28
FIGURA 17 – Curva do erro de parada para frente da válvula proporcional ................. 28
FIGURA 18 – sensor de proximidade magnético ................................................................ 29
FIGURA 19 – Sensor potenciométrico linear ...................................................................... 30
FIGURA 20 – Placa de aquisição de dados National Instruments NI USB-6212 ............. 30
FIGURA 21 – Logomarca LabVIEW ................................................................................... 31
FIGURA 22 – Esquema de montagem dos equipamentos e grau de liberdade do sistema
........................................................................................................................................... 32
FIGURA 23 – Disposição dos equipamentos de potência e de processamentos de dados
........................................................................................................................................... 33
FIGURA 24 – Placa de circuitos ........................................................................................... 33
FIGURA 25 – Diagrama de blocos de uma arquitetura de controle integrada flexível ... 36
viii
FIGURA 26 – Diagrama de blocos de uma arquitetura de controle não integrada flexível
........................................................................................................................................... 37
FIGURA 27 – Estrutura While loop do LabVIEW ............................................................. 38
FIGURA 28 – Bloco DAQ Assistent do LabVIEW ............................................................. 39
FIGURA 29 – Bloco PID Advanced do LabVIEW .............................................................. 39
FIGURA 30 – Contador criado em LabVIEW ................................................................... 41
FIGURA 31 – Sequência virtual de eventos definidos ........................................................ 42
FIGURA 32 – Lógica criada em LabVIEW para marginalizar a posição dentro do
setpoint .............................................................................................................................. 43
FIGURA 33 – Temporizador criado em LabVIEW ............................................................ 43
FIGURA 34 – Adaptações realizadas para a melhoria do processo .................................. 44
FIGURA 35 – Programa desenvolvido em LabVIEW, representa o controle analógico
com PI ............................................................................................................................... 46
FIGURA 36 – Programa desenvolvido em LabVIEW, representa o controle discreto e o
indicador gráfico .............................................................................................................. 46
FIGURA 37 – Comparação da resposta real com o modelo ............................................... 49
FIGURA 38 – Tabela de definições de tempo morto, constante de tempo e ganho ......... 49
FIGURA 39 – Programa criado no LabVIEW para uso da resposta em malha aberta .. 50
FIGURA 40 – Resposta do processo com um degrau positivo de + 1 Vcc em malha
aberta ................................................................................................................................ 51
FIGURA 41 – Resposta do processo com um degrau negativo de - 1 Vcc em malha
aberta ................................................................................................................................ 52
FIGURA 42 – Resposta do processo com um degrau positivo de + 1,5 Vcc em malha
aberta ................................................................................................................................ 52
FIGURA 43 – Resposta do processo com um degrau negativo de - 1,5 Vcc em malha
aberta ................................................................................................................................ 53
FIGURA 44 – Comparação dos resultados dos testes em malha aberta ........................... 54
FIGURA 45 – Tabela de fórmulas IAE para variação de set point ................................... 57
FIGURA 46 – Resposta do processo com o controlador ajustado pelo método IAE
(período de amostra 10ms) .............................................................................................. 58
FIGURA 47 – Resposta em degrau de um processo estável ............................................... 59
ix
FIGURA 48 – Resposta em degrau de um processo instável .............................................. 60
FIGURA 49 – Resposta do processo com ganho crítico no método Tentativa e Erro
(período de amostra 100ms) ............................................................................................ 61
FIGURA 50 – Resposta do processo com tempo integral no método Tentativa e Erro
(período de amostra 100ms) ............................................................................................ 62
FIGURA 51 – Resposta do processo com o controlador PI ajustado pelo método
Tentativa e Erro (período de amostra 10ms) ................................................................ 62
FIGURA 52 – Resposta do processo com ganho crítico no método Ziegler e Nichols
(período de amostra 100ms) ............................................................................................ 63
FIGURA 53 – Tabela de sintonia pelo método de Ziegler e Nichols em malha fechada . 64
FIGURA 54 – Resposta do processo com ganho crítico para medição do período crítico
(período de amostra 100ms) ............................................................................................ 64
FIGURA 55 – Resposta do processo com o controlador PI ajustado pelo método Ziegler
e Nichols (período de amostra 10ms) ............................................................................. 65
FIGURA 56 – Resposta do sistema com o controlador PI ajustado pelo método Ziegler e
Nichols com baixas vazões (período de amostra 200ms) .............................................. 66
FIGURA 57 – Resposta do sistema com o controlador PID ajustado pelo método Ziegler
e Nichols com baixas vazões (período de amostra 200ms) ........................................... 67
FIGURA 58 – Resposta do sistema com o chaveamento de controle PI/PID ajustado pelo
método Ziegler e Nichols com baixas vazões (periodo de amostra 100ms) ................ 68
FIGURA 59 – Programa desenvolvido em LabVIEW, representa o controle analógico
com a saída da válvula limitada e um chaveamento entre PI e PID ........................... 69
x
SUMÁRIO-
LISTA DE DE ABREVIATURAS, SIGLAS E SÍMBOLOS .............................................. vi
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ................................................................................................... vi
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 13
1.1 Objetivos específicos ......................................................................................................... 13
1.2 Justificativa........................................................................................................................14
1.3 Descrição do problema ..................................................................................................... 14
1.4 Organização do trabalho .................................................................................................. 14
2 VISÃO GERAL DA ARQUITETURA DO SISTEMA ............................................... 15
2.1 Equipamentos pneumáticos ............................................................................................. 16
2.1.1 Unidade de condicionamento de ar .............................................................................. 16
2.1.1.1 Filtro de ar .................................................................................................................. 17
2.1.1.2 Regulador de pressão ................................................................................................ 17
2.1.1.3 Acumulador ................................................................................................................. 17
2.1.2 Manifold ........................................................................................................................ 18
2.1.3 Atuador pneumático ..................................................................................................... 18
2.1.3.1 Cilindro de dupla ação sem haste .............................................................................. 19
2.1.4 Garra pneumática ........................................................................................................ 20
2.1.5 Válvula de Controle de fluxo ....................................................................................... 21
2.1.5.1 Válvula de controle de fluxo fixa bidirecional ........................................................ 22
2.1.5.2 Válvula de controle de fluxo variável bidirecional ................................................ 22
2.1.5.3 Válvula de controle de fluxo variável unidirecional ............................................... 22
2.2 Equipamentos eletropneumáticos ................................................................................... 23
2.2.1 Válvula direcional .......................................................................................................... 23
xi
2.2.1.1 Número de posições .................................................................................................... 24
2.2.1.2 Número de vias ........................................................................................................... 24
2.2.1.3 Tipos de acionamentos ............................................................................................... 25
2.2.2 Válvula proporcional ..................................................................................................... 25
2.3 Elementos sensores ........................................................................................................... 29
2.3.1 Sensor de proximidade magnético ............................................................................... 29
2.3.2 Sensor potenciométrico linear ...................................................................................... 29
2.4 Placa de aquisição de dados ............................................................................................. 30
2.5 Software LabVIEW .......................................................................................................... 31
3 MONTAGEM E CONTROLE DO SISTEMA ............................................................. 32
3.1 Funcionamento do sistema ............................................................................................... 34
3.2 Estrutura de controle ....................................................................................................... 35
3.2.1 Arquitetura integrada flexível ..................................................................................... 35
3.2.2 Arquitetura não-integrada flexível .............................................................................. 36
3.3 Controle com LabVIEW .................................................................................................. 37
3.3.1 Testes com entradas e saídas analógicas ..................................................................... 38
3.3.2 Teste com entradas e saídas digitais ............................................................................ 40
3.3.3 Testes integrando os dois sistemas, analógico e digital .............................................. 42
3.3.4 Finalização de todo o processo de montagem ............................................................. 44
4 MODELAGEM EMPÍRCA DO PROCESSO E PROJETO DO SISTEMA DE
CONTROLE .................................................................................................................... 47
4.1 Método empírico de processos ......................................................................................... 47
4.1.1 Identificação experimental de processos ..................................................................... 47
4.1.2 Resposta do processo ao teste degral ........................................................................... 48
4.2 Controlador PID ............................................................................................................... 55
4.3 Sintonia de controladores PID em malha aberta ........................................................... 56
4.3.1 Métodos de sintonia de malhas IAE ............................................................................. 57
xii
4.4 Sintonia de controladores PID em malha fechada................................................................ 60
4.4.1 Método de Tentativa e Erro ................................................................................................. 60
4.4.2 Método Ziegler e Nichols ..................................................................................................... 63
4.5 Método de controle proposto .................................................................................................. 65
5 CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 70
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 71
13
1 INTRODUÇÃO
A tecnologia pneumática é de fácil acesso, baixo custo e possui uma fácil integração
com os dispositivos eletrônicos de comando e informática, o que torna possível o controle em
várias aplicações industriais.
Este trabalho propõe o controle de posição de um cilindro pneumático de dupla ação
sem haste, comandado por válvula proporcional, o controle de avanço e recuo de um cilindro
pneumático de dupla ação com haste e o controle de fechamento e abertura de uma garra
pneumática, ambos comandados por válvulas direcionais. O controle desses três atuadores,
em conjunto, possibilita a manipulação de capas de CDs pelos espaços destinados às mesmas
em um estojo rígido de CDs, simulando um processo de manufatura. Essa operação requer
uma alta precisão do posicionamento do cilindro pneumático de dupla ação sem haste.
O controle de avanço e recuo do cilindro de dupla ação com haste e de fechamento e
abertura da garra pneumática é de fácil implementação por envolver apenas duas posições,
utilizando sinais discretos. Porém, o controle de posição do cilindro de dupla ação sem haste,
que envolve um sinal analógico para comando da válvula proporcional e outro sinal analógico
para medição da posição do atuador por um elemento sensor, se torna bem mais complexo
pelo fato da característica de não linearidade dos sistemas pneumáticos.(SANTANA, SILVA,
2010)
Para a realização do trabalho foi utilizado o software LabVIEW e a placa de aquisição
de dados da National Instruments, ambos em conjunto com o sistema eletropneumático
(figuras 22, 23 e 24) tornaram possível o controle do sistema proposto.
1.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Este trabalho de conclusão de curso tem como objetivo realizar um processo de
manufatura, controlando a posição de atuadores pneumáticos, com a utilização de
equipamentos pneumáticos, eletropneumáticos, elementos sensores, placa de aquisição de
dados e software de programação gráfica.
14
1.2 JUSTIFICATIVA
Esse trabalho justifica-se por:
1. Tecnologia que possibilita uma fácil integração com dispositivos eletrônicos de
comando e informática;
2. Grande aplicação em vários segmentos industriais.
3. Área com a possibilidade de maior expansão pelo desenvolvimento tecnológico da
área de automação e controle;
1.3 DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Em um sistema pneumático, o controle é limitado devido às características
desfavoráveis do ar comprimido e dos equipamentos mecânicos. No controle de posição, os
principais problemas são causados pelas características de não linearidade dos componentes.
A compressibilidade do ar e o atrito dos atuadores são características adversas que se
destacam, porém outros fatores também influenciam negativamente no controle do sistema
como histerese da válvula, conservação do ar e lubrificação dos componentes pneumáticos,
rigidez da mola da válvula proporcional, dentre outros.
1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO
Este trabalho está organizado da seguinte forma:
No Capítulo 2, são apresentados conceitos a respeito dos principais componentes
utilizados na implementação do projeto, como por exemplo: Atuadores, sensores, válvulas,
placa de aquisição de Dados (DAQ) e software de programação gráfica.
O Capítulo 3 apresenta a programação, testes, funcionamento e a estrutura física do
projeto. Descreve como os equipamentos estão conectados e a função de cada um dentro do
sistema.
15
No Capítulo 4 é feita a avaliação do controlador, nele são apresentados os testes do
controlador, que foram feitos através do software LabVIEW, como também os resultados
obtidos.
No capítulo 5 é apresentada a conclusão do trabalho.
16
2 VISÃO GERAL DA ARQUITETURA DO SISTEMA
Neste capítulo pretende-se mostrar alguns conceitos primordiais de compreensão do
tema aqui tratado, tais como equipamentos pneumáticos, equipamentos eletropneumáticos,
potenciômetro, circuito elétrico, placa de aquisição de dados e o software LabVIEW.
2.1 EQUIPAMENTOS PNEUMÁTICOS
2.1.1 UNIDADE DE CONDICIONAMENTO DE AR
A unidade de condicionamento de ar é composta pelo filtro de ar e regulador de
pressão. Ela faz a filtragem e regulagem da pressão na linha de ar compriimido que alimenta
os componentes pneumáticos do sistema. Sua principal finalidade é o ajuste da pressão, que
ocorre quando a pressão primária, chamada de pressão de entrada, fornecida pelo compressor,
é ajustada para o valor de pressão utilizada no posto de trabalho, que é chamada de pressão de
trabalho. É a pressão de trabalho que determina a força com que o atuador opera.
A unidade de condicionamento de ar é necessaria em qualquer sistema pneumático.
Ela aumenta a vida util dos componentes pois permite que estes trabalhem em melhores
condições.
Figura 1 – Unidade de condicionamento de ar.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
17
2.1.1.1 FILTRO DE AR
O filtro tem a função de reter as impurezas suspensas no fluxo de ar, fazendo com que
o ar circule sem resistência pelos componentes do sistema (PARKER).
2.1.1.2 REGULADOR DE PRESSÃO
O regulador de pressão está presente na unidade de condicionamento de ar para ajustar
a pressão do fluxo de ar comprimido. Assim os componentes pneumáticos do sistema
trabalham com a pressão de ar desejável.
O regulador possibilita aos componentes trabalharem com uma pressão de trabalho
desejável, através da regulagem da pressão primária. Com isso ele consegue compensar
automaticamente o volume de ar requerido pelos equipamentos do sistema (PARKER).
2.1.1.3 ACUMULADOR
O acumulador tem com principal função estabilizar a pressão do ar comprimido
fornecida aos equipamentos do sistema pneumático. O acumulador armazena o ar
comprimido, permitindo a equalização das variações da rede de alimentação do ar
comprimido e a estabilização das variações de pressão provocadas pelos picos de consumo.
Diminuindo significativamente as variações de pressão, o acumulador permite que os
componentes do sistema trabalhem com uma maior precisão, o que é muito importante para
um servoposicionador.
18
Figura 2 – acumulador.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
2.1.2 MANIFOLD
O Manifold distribui o ar comprimido proveniente do sistema de tratamento de ar para
os equipamentos pneumáticos e eletropneumáticos.
Figura 3 – Manifold.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
2.1.3 ATUADOR PNEMÁTICO
Os atuadores pneumáticos são os componentes que transformam em trabalho a energia
contida no ar comprimido.
19
Os atuadores pneumáticos podem ser do tipo rotativo, oscilante ou linear. Os atuadores
rotativos convertem a energia pneumática em energia mecânica por movimento rotativo
contínuo. Os oscilantes convertem a energia pneumática em energia mecânica, através do
movimento rotativo com ângulo limitado por certo número de graus. E os lineares convertem
a energia pneumática em movimentos lineares ou angulares. Os atuadores lineares são
representados pelos cilindros pneumáticos (DALL’AMICO).
Os cilindros pneumáticos podem ser de ação simples, utilizam o ar comprimido para
realizar trabalho em apenas um sentido, ou de ação dupla, que realizam trabalho nos dois
sentidos de movimento.
“Cilindros de ação dupla ou duplo efeito são os atuadores lineares em que a pressão do
ar atua nos dois sentidos do movimento do êmbolo, podendo portanto produzir trabalho útil
no seu avanço e/ou no seu recuo.” (BOLLMANN, 1997, p.94)
Figura 4 – Atuador pneumático de dupla ação com haste.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
2.1.3.1 CILINDRO DE DUPLA AÇÃO SEM HASTE
O cilindro pneumático sem haste é formado por um cursor, localizado na parte de fora
da camisa do cilindro, que acompanha o movimento do êmbolo que está na parte interior da
camisa.
O acoplamento entre o êmbolo e o cursor pode ser feito de forma magnética ou
mecânica. O acoplamento magnético é feito por um conjunto de imãs localizado na parte de
dentro do cursor. E o acoplamento mecânico, que possibilita a movimentação de cargas mais
20
pesadas, é feito por uma fita metálica guiada em um canal com vedação dinâmica. Este
cilindro, por não possuir haste, possui a mesma área em ambos os lados e consequentemente a
mesma força de avanço e recuo. O cilindro sem haste é aplicado onde são necessários cursos
muito grandes e a flambagem na haste do cilindro comum se torna um problema.
Comparando-se com os cilindros com haste, o cilindro sem haste reduz em 50% o espaço
necessário para a instalação do mesmo (SILVA, 2002).
Figura 5 – Cilindro pneumático de dupla ação sem haste.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
2.1.4 GARRA PNEUMÁTICA
A Garra pneumática executa movimentos paralelos que possibilitam a fixação,
transporte e manipulação de peças. A garra apresenta pouca versatilidade na manipulação de
peças, por causa do seu formato e da sua limitação de abertura. Portanto os objetos a serem
manipulados devem ter o formato compatível com a garra e dimensão que não ultrapasse a
abertura da mesma.
Ao determinar-se a força requerida para os pegadores, a garra precisa estar em
condições de manipular os objetos sob qualquer condição. Entretanto, a força requerida
21
também deve estar dentro de um limite seguro, para que não aconteça deformação da peça a
ser manipulada (PARKER).
Figura 6 – Garra pneumática.
Fonte: http://www.festo.com.
2.1.5 VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO
A Válvula de controle de fluxo regula o fluxo de ar que alimenta o cilindro de dupla
ação. Regulando o fluxo de ar, a válvula ajusta a velocidade de avanço e de recuo do atuador.
Quanto menor a obstrução causada pela válvula maior será a velocidade da haste do cilindro.
A válvula de controle de fluxo pode ser fixa ou variável, unidirecional ou bidirecional
(PARKER).
Figura 7 – Válvula de controle de fluxo.
Fonte: http://www.festo.com.
22
2.1.5.1 VALVULA DE CONTROLE DE FLUXO FIXA BIDIRECIONAL
Este tipo de válvula não permite ajuste. A restrição é permanente, portanto o fluxo é
controlado da mesma forma em ambas as direções.
2.1.5.2 VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO VARIAVEL
BIDIRECIONAL
Esta válvula regula o fluxo de ar nas duas direções, ela é formada por um parafuso que
pode tanto aproximar-se ou afastar-se de um assento, dependendo da regulagem do mesmo.
Essa regulagem permite um maior ou menor fluxo de ar pela válvula em ambas as direções.
2.1.5.3 VÁLVULA DE CONTROLE DE FLUXO VARIÁVEL
UNIDIRECIONAL
A válvula de controle de fluxo variável unidirecional controla o fluxo de ar em apenas
uma direção. Nesta válvula existe um dispositivo para o controle de fluxo e uma válvula de
retenção. No sentido 2 para 1, o ar flui com fluxo livre, sem impedimento pela válvula de
retenção. No sentido 1 para 2 a válvula de retenção trabalha fechada pela ação do próprio
fluxo de ar, e obriga o mesmo a passar pela via onde a restrição é controlada.
23
Figura 8 – Válvula de controle de fluxo variável unidirecional.
Fonte: http://www.parker.com/literature/Brazil/apostila_M1001_1_BR.pdf.
2.2 EQUIPAMENTOS ELETROPNEUMÁTICOS
2.2.1 VÁLVULA DIRECIONAL
É o elemento de comando do sistema pneumático. A válvula direcional controla os
movimentos dos atuadores, manipulando a trajetória do fluxo de ar comprimido que chega até
eles por meio de um acionamento externo. As válvulas direcionais podem ser classificadas de
acordo com as suas características, que são apresentadas a seguir (DOS SANTOS).
Figura 9 – Válvula pneumática direcional 5/2 vias com acionamento por solenoide e retorno
por mola.
Fonte: Autores.
24
2.2.1.1 NÚMERO DE POSIÇÕES
São o número de manobras diferentes que a válvula direcional pode realizar. Cada
manobra permite a válvula orientar o fluxo de ar comprimido para uma trajetória, ou bloqueá-
lo.
O número de posições é representado pelo número de quadrados na simbologia das
válvulas direcionais
Figura 10 – Número de posições de válvulas direcionais.
Fonte: (STEWART, 1978).
2.2.1.2 NÚMERO DE VIAS
Os números de vias são o número de conexões existentes na válvula, que representam
a passagem de ar comprimido, através de uma seta, ou o bloqueio do ar comprimido através
de um T.
O número de vias é determinado pela quantidade de vezes que os símbolos tocam o
lado de um quadrado do símbolo da válvula.
Figura 11 – Número de vias de válvulas direcionais.
Fonte: (STEWART, 1978).
25
2.2.1.3 TIPOS DE ACIONAMENTOS
A comutação das válvulas é realizada por acionamentos externos, e estes efetuam a
mudança do seu estado das válvulas.
As válvulas podem ainda ser comutadas por um tipo de acionamento, ou por uma
combinação entre os acionamentos. Na figura 12 alguns tipos de acionamentos são
demonstrados.
Figura 12 – Tipos de acionamento de válvulas direcionais.
Fonte: (STEWART, 1978).
2.2.2 VÁLVULA PROPORCIONAL
A válvula pneumática proporcional é destinada a comandos de precisão. Ela controla o
sentido e a vazão do ar comprimido para dois diferentes sentidos, que na aplicação do
servoposicionador são o avanço e recuo do cilindro de dupla ação sem haste.
A válvula proporcional é controlada por uma entrada de tensão com uma escala de
zero até dez Volts. Quando a válvula proporcional recebe uma entrada de cinco volts, ela se
posiciona no estado central, que é a sua posição de repouso, onde todas as vias estão
26
bloqueadas, ou seja, a vazão de saída é igual à zero. Ao receber uma entrada decrescente, em
rampa, de cinco até zero Volt, a válvula aumenta proporcionalmente de zero até o valor
máximo a vazão de saída do ar comprimido no sentido da conexão P para B. E ao receber uma
entrada crescente, em rampa, de cinco até dez Volts, a válvula aumenta proporcionalmente de
zero até o valor máximo a vazão de saída, no sentido da conexão P para A.
Figura 13 – válvula proporcional e simbologia.
Fonte: http://www.festo-didactic.com e autores.
As válvulas proporcionais possuem algumas características desfavoráveis para o
controle de posição, como zona morta, histerese e erros de parada para trás e para frente.
Neste tipos de valvulas, dependendo da tecnologia de fabricação utilizada, existe uma
região de zona morta que pode variar entre 0,5% e 10% a partir da região central, tanto para o
sentido de avanço, tanto para o sentido de recuo. Na região de zona morta, representada na
figura 14, a válvula está fechada, e o fluxo de ar não acontece em nenhuma direção (DE
NEGRI).
27
Figura 14 – Curva característica da válvula proporcional.
Fonte: Autores.
A histerese e os erros de parada para trás e para frente são relacionados entre si
e são vinculados ao solenóde proporcional, atrito e folgas da válvula.
A histerese é a não-linearidade característica da valvula proporcional que pode
ser definida pela diferença entre saídas obtidas com a aplicação de um mesmo valor do sinal
de entrada, quando o ciclo completo de sinal de entrada é concluido.
Figura 15 – Curva da histerese da válvula proporcional.
Fonte: Adaptado de DE NEGRI, 1998.
28
O erro de parada para trás é o valor total do sinal de tensão de entrada que se
faz necessário para gerar no sinal de saída uma mudança perceptível, quando a partir de um
ponto de parada acontece uma mudança na direção da vazão gerada pela válvula.
Figura 16 – Curva do erro de parada para trás da válvula proporcional.
Fonte: Adaptado de DE NEGRI, 1998.
O erro de parada para frente é o valor que precisa ser incrementado no sinal de
tensão de entrada para criar uma mudança perceptível do sinal de saída, quando acontece uma
parada da válvula e depois a mesma continua o movimento na mesma direção (DE NEGRI,
KINCELER, SILVEIRA, 1998).
Figura 17 – Curva do erro de parada para frente da válvula proporcional.
Fonte: Adaptado de DE NEGRI, 1998.
29
2.3 ELEMENTOS SENSORES
2.3.1 SENSOR DE PROXIMIDADE MAGNÉTICO
O sensor de proximidade magnético detecta a presença de materiais de natureza
metálica. É utilizado para detectar a presença da haste do cilindro de dupla ação no seu início
e final de curso (LINO).
Figura 18 – sensor de proximidade magnético.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
2.3.2 SENSOR POTENCIOMÉTRICO LINEAR
O Sensor potenciométrico linear tem a sua resistência elétrica alterada
proporcionalmente ao seu deslocamento. Ele reporta a sua posição física, em relação a um
ponto de referência, em forma de sinal analógico.
O sensor linear potenciométrico tem o mesmo curso do cilindro de dupla ação sem
haste, que é o cilindro ao que ele está acoplado. Sua função é indicar com precisão a posição
da haste do atuador, dentro dos limites de seu curso (STEFFENS).
30
Figura 19 – Sensor potenciométrico linear.
Fonte: http://www.festo-didactic.com.
.
2.4 PLACA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
A placa de aquisição de dados permite a integração entre o processo e o computador
que controla esse processo. Com a aquisição de dados é possível medir um fenômeno elétrico
ou físico, como corrente, tensão, temperatura, pressão, utilizando um computador. A placa de
aquisição de dados possibilita tanto a leitura de dados através das entradas analógicas ou
digitais, quanto a escrita de dados através das saídas analógicas ou digitais (NATIONAL).
Figura 20 – Placa de aquisição de dados National Instruments NI USB-6212.
Fonte: Autores.
31
2.5 SOFTWARE LABVIEW
O LabVIEW é um software da National Instruments que utiliza uma linguagem gráfica
para o desenvolvimento de sistemas de medição e controle. Com a criação de instrumentos
virtuais, como por exemplo, indicadores gráficos analógicos e digitais, o LabVIEW possibilita
a interpretação virtual das variáveis a serem analisadas e controladas. Permite também a
criação de interfaces homem-máquina intuitivas, com a utilização de símbolos muito
semelhantes aos painéis de operações de máquinas, reproduzindo de forma fiel os
instrumentos reais.
O software é um ambiente de desenvolvimento que utiliza programação gráfica, ícones
ao invés de textos, e integração de hardware, para a criação e teste de projetos de pequeno e
grande porte de sistemas de medição e controle. Possibilita a aquisição de dados, o controle de
instrumentos, registro de dados, análise de medição e produção de relatórios. O LabVIEW é
um programa que integra todas as ferramentas necessárias para o desenvolvimento de
aplicações em um pequeno espaço de tempo com uma alta flexibilidade de soluções.
(NATIONAL).
Figura 21 – Logomarca LabVIEW.
Fonte: http://us.ni.com.
32
3 MONTAGEM E CONTROLE DO SISTEMA
Este capítulo apresenta como os equipamentos foram dispostos para a estrutura do
sistema proposto, as suas finalidades, bem como seu funcionamento.
O sistema físico apresenta: 1 estojo rígido de CD (1); 2 capas de CD (2); 1 sensor de
posição tipo potenciômetro (3); 1 garra pneumática (4); 1 cilindro pneumático de dupla ação
sem haste (5); 1 cilindro pneumático de dupla ação com haste (6); 2 sensores indutivos (7); 2
válvulas de controle de fluxo (8); 1 válvula pneumática direcional proporcional 5/3 vias com
acionamento por solenoide proporcional e retorno por mola (9); 2 válvulas pneumáticas
direcionais 5/2 vias com acionamento por solenoide e retorno por mola (10); 2 acumuladores
(11); 1 válvula reguladora de pressão (12); 1 manifold (13); 1 unidade de condicionamento de
ar (14); 1 notebook (15); 1 fonte de alimentação 5Vcc (16); 1 fonte de alimentação 24Vcc
(17); 1 placa de circuitos elétricos (18); 1 placa de aquisição de dados National Instruments
NI USB-6212 (19).
Figura 22 – Esquema de montagem dos equipamentos e grau de liberdade do sistema.
Fonte: Autores.
33
Figura 23 – Disposição dos equipamentos de potência e de processamentos de dados.
Fonte: Autores.
Figura 24 – Placa de circuitos.
Fonte: Autores.
34
3.1 FUNCIONAMENTO DO SISTEMA
Conforme a figura 22, o circuito é alimentado pela rede de fornecimento de ar
comprimido geral do IFF - campus Campos - centro, onde uma linha de abastecimento chega
à unidade de condicionamento de ar (14). Sua pressão é regulada reduzindo-se para 5 Bar e
filtrada para retirar impurezas providas desta linha de abastecimento. Após a passagem do ar
comprimido pela unidade de condicionamento, o mesmo segue para um manifold (13) onde se
divide por duas linhas:
Linha direcionada para o controle discreto:
- uso do cilindro de dupla ação(6) - o ar comprimido passa pelo manifold (13) e é
enviado diretamente para a válvula direcional eletropneumática 5/2 vias com retorno por mola
(10), onde por ação do sistema de controle, receberá um valor de tensão que acionará seu
solenoide mudando sua posição para avanço do cilindro, já que o retorno é feito por ação da
mola. Depois de selecionada a posição, o ar comprimido oriundo da linha chegará por fim a
uma das câmaras do cilindro de dupla ação (6). Nas ações de avanço e retorno a vazão do ar é
controlada pela válvula controladora de fluxo (8).
- uso da garra pneumática (4) - ao passar pelo manifold (13) o ar passa por outra
válvula reguladora de pressão (12) onde é ajustada uma pressão de trabalho de 2 Bar a partir
dela. Após o ajuste da pressão o ar comprimido segue para a outra válvula direcional
eletropneumática 5/2 vias com retorno por mola (10), que, por ação do sistema de controle,
receberá um valor de tensão alterando sua posição pelo acionamento do solenoide. Com a
posição determinada pelo sistema o ar comprimido será direcionado para umas das duas
câmaras da garra pneumática (4), sendo uma câmara de fechamento e outra de abertura da
garra.
Linha direcionada para controle analógico:
O ar comprimido sai pelo manifold (13) chegando à válvula direcional
eletropneumática proporcional 5/3 vias centrada por mola(9), sendo direcionado com uma
35
vazão controlada pelo próprio carretel da válvula. Por ação do controlador do sistema de
controle, a válvula receberá um valor de tensão que determinará qual será a vazão de ar
direcionada para uma das câmaras do cilindro pneumático sem haste (5) de acordo com a
posição indicada pelo sensor de posição (3).
3.2 ESTRUTURA DE CONTROLE
Nesta etapa é mostrada a implementação do sistema de controle com equipamentos
utilizados e também como foi desenvolvida sua programação com o uso do software
LabVIEW. Mostram-se os principais recursos de programação desenvolvidos para esse tipo
de aplicação.
Existem vários tipos de configurações de arquitetura de controle para
servomecanismos disponíveis no mercado. Destacam-se as seguintes configurações analisadas
(OLIVEIRA, 2007):
3.2.1 ARQUITETURA INTEGRADA FLEXÍVEL
Esse tipo de arquitetura apresenta o módulo de processamento, sistema de aquisição de
dados e módulos de saídas integrados em uma única placa. São utilizadas em sistemas de
controle que necessitam de grande velocidade de processamento e controle de muitas
variáveis simultâneas, geralmente aplicadas em equipamentos de alta tecnologia (robôs,
aeronáutica, aeroespacial, indústria bélica, etc.). Essas placas são acompanhadas por um
software para a interface com o usuário que permite o gerenciamento e implementação da
estratégia do sistema de controle para o servomecanismo via linguagens de alto nível ou por
diagrama de blocos. Os algoritmos de controle implementados no sistema são armazenados e
processados pelo módulo de processamento (OLIVEIRA, 2007).
36
Figura 25 – Diagrama de blocos de uma arquitetura de controle integrada flexível.
Fonte: Oliveira 2007, p. 48.
3.2.2 ARQUITETURA NÃO INTEGRADA FLEXÍVEL
Arquiteturas não integradas flexíveis são plataformas que permitem a interação de um
computador com o processo, isto é, o computador é usado como unidade de processamento
(execução de programas, armazenamento e configuração) e a interface com o processo é feita
através um barramento de comunicação (sistema de aquisição de dados e módulo de saída)
onde ocorre a transmissão de dados em tempo real entre o sistema de processo e o
computador. Conforme o programa de controle desenvolvido, o módulo de processamento
(computador) processa e retorna os dados para o barramento de comunicação que por sua vez
transforma os dados digitais em sinais elétricos para os atuadores, o contrário também ocorre
com os elementos sensores, transformando sinais elétricos em dados digitais.
37
Figura 26 – Diagrama de blocos de uma arquitetura de controle não integrada flexível.
Fonte: OLIVEIRA 2007, p.51.
A implementação do sistema de controle desenvolvido é do tipo não integrado
flexível, realizando a aquisição de dados das entradas (sensores), envio da resposta ao
controle para as saídas (atuadores), armazenamento e execução dos algoritmos de controle.
3.3 CONTROLE COM LABVIEW
Como o sistema proposto apresenta uma interação com controle analógico e controle
discreto, métodos de processamento no LabVIEW foram realizados para que o sistema
funcionasse de modo independente do tempo de execução da varredura de ambos, colocando
separadamente cada sistema de controle em uma estrutura de while loop (item 3.3.1), assim
permitindo com que o programa execute as funções de cada estrutura ao mesmo tempo. No
início deste projeto foram realizados testes na bancada que tinham como objetivo o
funcionamento da interface PC - DAQ - PROCESSO. No primeiro momento os testes foram
desenvolvidos de forma separada, programação individual.
38
3.3.1 TESTES COM ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS
Esta primeira fase trata do controle do posicionamento do cilindro sem haste (eixo Y).
Ligação elétrica - tanto a válvula proporcional quanto o sensor de posição possuem 4
fios, 2 de alimentação 0 - 24 Vcc e 2 de sinal 0 - 10 Vcc. Como o DAQ gera e recebe sinais de
0 - 10 Vcc nas entradas e saídas analógicas, não houve necessidade de qualquer intervenção
de circuitos elétricos para esses parâmetros serem compatíveis.
Programação
- while loop - estrutura de repetição onde o subprograma é desenvolvido, nela o
programa é executado de forma contínua até que seja enviado um comando discreto para a
parada dessa estrutura.
Figura 27 – Estrutura While loop do LabVIEW.
Fonte: Help do LabVIEW.
- DAQ Assistent - bloco de assistência responsável por criar, editar e executar tarefas
usando o software driver NI-DAQmx. Nele que são feitas as aquisições de dados: sensores de
posição e indutivo; atuadores proporcional e discreto.
39
Figura 28: Bloco DAQ Assistent do LabVIEW.
Fonte: Help do LabVIEW.
- PID Advanced - foi escolhido esse tipo de controlador por apresentar recursos
especiais que interessam ao projeto em relação a um controlador normal como: possui chaves
de automático / manual, possui controle manual e possui um "range de saída" onde se pode
saturar os valores de saída.
Figura 29 – Bloco PID Advanced do LabVIEW.
Fonte: Help do LabVIEW.
Usando os blocos das figuras 27, 28 e 29 foi possível realizar o controle de posição do
eixo Y. Com as entradas definidas pelo DAQ Assistent obtemos as variáveis de processo.
Com o uso de um comando de entrada para o setpoint define-se a posição desejada a ser
atingida pelo cilindro e por fim passando pelo controlador PID outro DAQ Assistent para
gerar os sinais de saída. Com os parâmetros PID sendo ajustados, os testes foram bem
sucedidos.
40
3.3.2 TESTE COM ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS
Esta segunda fase compreende ao controle discreto do cilindro de dupla ação e da
garra pneumática (eixo X).
Ligação elétrica - os dois sensores indutivos que determinam a posição do cilindro de
dupla ação possuem 4 fios cada, 2 de alimentação 0-24 Vcc e 2 de sinal 0-5 Vcc. Como o
DAQ aceita sinais de 0-5 Vcc não houve necessidade de uso de circuitos elétricos para manter
os parâmetros de funcionamento.
Durante os testes com as saídas digitais do DAQ foram encontrados vários problemas e
obtidas soluções, conforme:
Como acionar a solenoide de 0-24Vcc com uma saída de 0-5Vcc?
Usando um relé com acionamento de 5 Vcc, solucionou o problema. A tensão de 0-
24Vcc passa para o solenoide com a comutação da chave do relé quando acionada a saída de 5
Vcc do DAQ com o comando discreto.
A princípio testando com apenas um relé, era possível o acionamento de um solenoide,
mas como o processo necessitava do acionamento de dois solenoides, foi notada uma queda
de tensão ao acionarmos o comando para atua-las fazendo com que as chaves dos dois relés
não comutassem.
Como acionar os relés já que há queda de tensão gerada nos seus terminais?
Usando um transistor e uma fonte de alimentação de 0-5 Vcc, resolveu-se o problema.
A tensão na saída do transistor é saturada não permitindo a queda da mesma no circuito.
Ligação elétrica - com a necessidade, foi montado um circuito elétrico para poder
atender aos parâmetros de funcionamento do sistema, como mostra a figura 24.
Com o uso deste circuito foi possível o acionamento dos solenoides ao mesmo tempo
sem queda de tensão, atendendo a lógica do processo.
Programação - os blocos e técnicas mostradas foram desenvolvidos para a execução
sequencial correta dos atuadores.
- Case Structure - essa estrutura executa as funções nela implementada quando uma
condição lógica for imposta à sua entrada de seleção.
- Técnica de armazenamento de valores - como o LabVIEW não possui VI de
armazenamento em memória, foi desenvolvido uma técnica que permitisse o armazenamento
41
de valores do ciclo anterior de execução usando o while loop. No LabVIEW o conjunto painel
e diagrama de blocos formam aquilo a que a National Instruments chama de Virtual
Instrument (VI).
Com isso, foi montado um bloco contador que permite a contagem de mudanças de
estado entre o valor anterior e o atual. Esses blocos são necessários para que a lógica de
programação do sistema realize as sequências de ações do processo quanto ao número
acumulado da contagem
Figura 30 – Contador criado em LabVIEW.
Fonte: Autores.
CONTADOR DE RECUO - toda vez que houver uma mudança de estado do sensor
indutivo (7) no fim de curso do cilindro de dupla ação (eixo X) da figura 22 indicará ao
controlador que o pacote foi capturado ou entregue fazendo com que o setpoint mude para a
próxima sequência a ser executada.
CONTADOR DE AVANÇO - assim que o cilindro de dupla ação (eixo X) avançar e
atingir o final do seu curso, o sensor indutivo(7) comutará fazendo com que o controlador
entenda que deve capturar ou entregar o pacote.
Com o uso desses blocos foi possível fazer uma sequência de eventos definidos pela
lógica de controle. Primeiramente para acompanhar os eventos foram colocados leds virtuais
42
no próprio LabVIEW representando as saídas e entradas dessa etapa para maior agilidade na
programação. Para que os testes pudessem ser feitos simularam-se valores para a posição do
cilindro sem haste (eixo Y) e o setpoint. Com as mudanças de posição notou-se que a
programação era satisfatória e toda a sequência era realizada.
Figura 31 – Sequência virtual de eventos definidos onde X0 representa o sensor magnético de
fim de curso (cilindro recuado) e X1 o sensor magnético de fim de curso (cilindro avançado).
Fonte: Autores.
3.3.3 TESTES INTEGRANDO OS DOIS SISTEMAS, ANALÓGICO E
DIGITAL
Nesta terceira fase realizou-se a união dos dois sistemas em um único bloco já com as
saídas e entradas digitais instaladas. Com uma estrutura de while loop cada etapa era realizada
separadamente.
É importante destacar que mesmo a simulação tendo funcionado a contento, na prática
vários problemas ocorreram conforme:
- Demora na localização da posição do cilindro sem haste (eixo Y) devido as
oscilações do sensor, saturação do controlador PID quando a posição era atingida fazendo
43
com que o cilindro colidisse com a mola de proteção do seu fim de curso, movimentação no
eixo Y quando o cilindro de dupla ação (eixo X) estava avançado, perda do controle de
contagem de posição devido também as oscilações do sensor.
Para resolver o problema da demora da localização da posição e perda do controle de
posição fez-se uma programação que compara a posição com o setpoint com uma margem de
erro de 2,475mm (0,055 Vcc), margem suficiente para a captura e entrega do pacote para não
gerar dano aos compartimentos e um temporizador que faz um acúmulo de contagem somente
quando o cilindro esteja em posição, zerando as contagens geradas quando o mesmo sair da
posição.
Figura 32 – Lógica criada em LabVIEW para marginalizar a posição dentro do setpoint.
Fonte: Autores.
Figura 33 – Temporizador criado em LabVIEW.
Fonte: Autores.
44
3.3.4 FINALIZAÇÃO DE TODO O PROCESSO DE MONTAGEM
Nesta quarta etapa o programa apresenta cada sistema de controle separado por
estruturas de while loop (figuras 34 e 35). Ao final dos testes com o intuito de confirmar a
lógica operacional programada e controlada, foi colocado o estojo rígido com os CDs para
terminar a parte prática deste projeto.
Ao realizar o primeiro movimento de captura notou-se que a precisão do valor de
setpoint teria que ser significativa, então foram feitas as medições com o uso de uma régua
milimétrica assim extinguindo o problema.
Figura 34 – Adaptações realizadas para a melhoria do processo.
Fonte: Autores.
A figura 34 mostra as melhorias realizadas para as correções dos erros a seguir:
Falta de sustentação do CD pela garra - ao retirar o CD do estojo rígido após a sua
captura, notava-se que o mesmo não mantinha-se estático e girava para baixo no eixo das
borrachas da garra, fazendo com que na entrega o corpo do CD colidisse com a base do
45
casing. Para contornar esse erro foi colocado um elemento borracha de maior área (1)
distribuindo mais compressão no corpo do CD criando mais área de apoio e sustentação.
Ângulo de captura desfavorável – ambos, a haste do cilindro, como a própria base da
garra, não estavam nivelados devido ao corpo do cilindro sem haste e a placa de adaptação da
garra, fazendo com que a captura e entrega fossem comprometidas, também não respeitando
as medidas do casing que estava desnivelado. Usando um nivelador, uma borracha na base do
cilindro de dupla ação (3) e um torque nos parafusos que ligam a base do cilindro de dupla
ação com o cilindro sem haste (4), foram corrigidos os ângulos de captura, de entrega e do
casing.
Folga na fixação da placa de adaptação da garra e atrito na haste guia do cilindro de
dupla ação - quando o cilindro avançava para a captura ou recuava para a entrega percebia-se
que a placa de adaptação inclinava-se para frente ou para traz de acordo com sua
movimentação tornando assim um problema devido ao ângulo que se formava. Dois fatores
que influenciavam esse problema foram notados e corrigidos, o primeiro era a folga na placa
que com o uso de uma porca resolveu sua estabilidade (2). O segundo era o atrito gerado por
uma das hastes guia do cilindro de dupla ação, que com as resultante de força agravasse o
desalinhamento da placa de adaptação, a base do cilindro de dupla ação possui dois furos
paralelos onde são deslizadas as hastes guia, um desses furos possui um diâmetro menor.
Visto isto uma das hastes foi lixada uniformemente assim tirando o atrito gerado (5).
46
Figura 35 – Programa desenvolvido em LabVIEW, representa o controle analógico com PI.
Fonte: Autores.
Figura 36 – Programa desenvolvido em LabVIEW, representa o controle discreto e o
indicador gráfico.
Fonte: Autores.
47
4 MODELAGEM EMPÍRICA DO PROCESSO E PROJETO DO
SISTEMA DE CONTROLE
Ao concluir os testes, este capítulo aborda o sistema de controle proposto para o
processo. Aqui serão mostrados os métodos de controle usados e seus resultados já com o
sistema em operação.
4.1 MÉTODO EMPIRICO DE PROCESSOS
4.1.1 IDENTIFICAÇÃO EXPERIMENTAL DE PROCESSOS
De acordo com Valdman (1999, p. 50-51)
Uma alternativa de modelagem muito usada para projetos de malhas de
controle e ajuste de controladores é o denominado método empírico ou mais
conhecido como Identificação Experimental de Processos.
O método de Identificação Experimental consiste na realização de testes de
perturbação escolhidos em certas variáveis de estímulo ou entrada obtendo
experimentalmente a resposta ou efeito destas perturbações em outras
variáveis de interesse para medição e controle do processo. A aplicação do
método consiste na determinação de alguns poucos parâmetros a partir dos
dados experimentais obtidos de modo que modelos lineares simples
contendo estes parâmetros se ajustem aos resultados experimentais obtidos.
Normalmente utilizam-se modelos lineares simples de 1ª ordem, 2ª ordem e
tempo morto, individualmente ou combinados, para fazer estas comparações
de ajuste de dados experimentais com dados analíticos que seriam obtidos
através dos modelos, para os mesmos testes de perturbação realizados
experimentalmente. Os métodos comparativos de ajuste são realizados por
gráficos e curvas representativas do comportamento dinâmico dos processos.
Os testes de perturbação mais utilizados nesta determinação empírica de
modelos, tem sido:
1. Teste Degrau.
2. Teste Senoidal.
3. Teste Pulso
48
Nesta seção foi escolhido o teste em degral por tratar-se do teste mais utilizado nas
indústrias, este não provoca grandes alterações no processo, pois o teste é realizado em malha
aberta.
4.1.2 RESPOSTA DO PROCESSO AO TESTE DEGRAL
Segundo Smith e Corrípio (1997) o procedimento para levantamento das Curvas de
Reação consiste em: colocar o controlador em manual, depois aplica-se uma mudança em
degrau em sua saída e(t). A magnitude da mudança deve ser grande o suficiente para que
possa medi-la na saída do sistema de medição, porém não tão grande para que as não
linearidades do processo ocasionem uma distorção na resposta.
De acordo com Silva (2000), na figura 37 conclui-se que a resposta do modelo deve
coincidir com a curva de reação do processo em estado estacionário e pode-se calcular o
ganho em estado estacionário do processo que é um dos parâmetros do modelo.
O tempo morto e a constante de tempo podem ser encontrados usando-se dois
métodos distintos.
O método que mais aproxima um modelo empírico a um modelo real é o que encontra
a constante de tempo baseada no valor correspondente a 63,2% da resposta ao degrau aplicado
na entrada.
49
Figura 37 – Comparação da resposta real com o modelo.
Fonte: Smith e Corripio, Controle Automático de Processos, 1997.
Desta forma definem-se quais são os parâmetros necessários para o modelo empírico.
Parâmetro Denominação Definição
Tempo morto ou tempo de
transporte
Intervalo de tempo entre a
aplicação do degrau e o início da
evolução da variável do processo
Constante de tempo, ou
atraso de transferência
Valor de tempo equivalente a
63,2% da variação da saída do
processo
Ganho do processo Razão entre a variação da saída
pela entrada do processo
Figura 38 – Tabela de definições de tempo morto, constante de tempo e ganho.
Fonte: MOLLENKAMP, 1988
50
Segundo Valdman (1999, p.179) existem vantagens de usar-se o método degrau, são
elas:
1. Só requer a realização um único teste.
2. Pode ser repetido para um teste de degrau negativo e outro positivo, e a
média dos ajustes utilizada para uma melhor adaptação a processos não
lineares.
3. Não precisa utilizar nenhum método de tentativa e erro, conforme o
método da sensibilidade limite.
4. Não provoca grandes alterações no processo, pois o teste é realizado em
malha aberta.
5. Também pode ser utilizado numa metodologia combinada analítica
empírica, desde que se tenham modelos mais precisos ou mesmo
aproximados e a curva de reação do processo para malha aberta possa ser
obtida por simulação em programas computacionais.
6. Pode ser utilizado, com boa aproximação, mesmo para respostas
incompletas, que não tenham atingido novo valor de equilíbrio, usando as
correlações originalmente propostas por Ziegler - Nichols.
Para maior eficiência nos testes, foi feito um programa no LabVIEW com
temporizador para uma entrada em degrau.
Figura 39 – Programa criado no LabVIEW para uso da resposta em malha aberta.
Fonte: Autores.
51
O programa desenvolvido tem por finalidade gerar valores de y(t) e e(t) ao longo de
um segundo com uma grande quantidade de amostras que são exportadas para o programa
Excel. A finalidade dessas amostras é retirar os valores de com a precisão de
milésimos de segundo e gerar o gráfico degrau.
Com o resultado do teste em degrau mostrado no gráfico abaixo, determina-se os
valores de K, , e , onde se obtém as funções de transferência para um sistema de primeira
ordem com tempo morto:
Figura 40 – Resposta do processo com um degrau positivo de + 1 Vcc em malha aberta.
Fonte: Autores.
52
Figura 41 – Resposta do processo com um degrau negativo de - 1 Vcc em malha aberta.
Fonte: Autores.
Figura 42 – Resposta do processo com um degrau positivo de + 1,5 Vcc em malha aberta.
Fonte: Autores.
53
Figura 43 – Resposta do processo com um degrau negativo de - 1,5 Vcc em malha aberta.
Fonte: Autores.
54
Ao final dos testes notou-se uma singularidade das respostas obtidas com ambos os
degraus aplicados, determinando esse sistema como linear.
Degrau
positivo
+ 1 V
Degrau
negativo
- 1 V
Degrau
positivo
+ 1,5 V
Degrau
negativo
- 1,5 V
2,68 5,2 2,52 5,22 7,82 2,6
1,69 3,29 1,6 3,3 4,94 1,64
0,127 0,109 0,018 0,082 0,106 0,024
0,153 0,199 0,046 0,178 0,178 0
Figura 44 – Comparação dos resultados dos testes em malha aberta.
Fonte: Autores.
Com as médias dos resultados obtidos no teste degrau em 1 V tem-se:
55
Onde:
4.2 CONTROLADOR PID
Os controladores PID são bastante utilizados nas indústrias para controle de nível de
líquidos, controle de temperatura, controle de pressão em vasos ou tanques, controle de vazão,
de velocidade de rotação de motores, e em máquinas elétricas em geral. O projeto desses
controladores pode ser feito baseado na resposta de um modelo de referência de primeira
ordem com tempo morto e, a partir do conhecimento da planta que deverá ser controlada,
encontrar os parâmetros de ganho proporcional, integral e derivativo de um controlador PID
que é utilizado nesta planta, para que a mesma acompanhe a resposta do modelo da melhor
forma possível. Os controladores PID são projetados para inúmeros sistemas, são de baixo
custo e de relativa facilidade de projeto.
O uso dos controladores PID trazem grandes vantagens ao meio industrial por ser
aplicado na maior parte dos sistemas de controle, já que, quando o modelo matemático da
planta é desconhecido, métodos de projetos analíticos não podem ser utilizados. Esquemas
básicos de controle PID e os controles PID modificados mostram ser úteis com um controle
satisfatório. Em algumas situações pode-se não apresentar uma otimização do controle
(OGATA, 2003).
Com o modelo empírico da planta encontrado, pode-se obter o modelo do controlador
PID a ser usado.
Há diferentes tipos de métodos de sintonia propostas na literatura como: Ziegler e
Nichols, Cohen e Coon, Broida, IAE, ITAE, ISE, ITSE. Com a utilização dessas regras de
sintonia, ajustes finos no controlador PID podem ser feitos em campo.
56
4.3 SINTONIA DE CONTROLADORES PID EM MALHA ABERTA
O controlador usado para este projeto é do tipo misto, que apresenta a seguinte função
de transferência:
Kp - ganho proporcional
Ti - tempo integral
Td - tempo derivativo
Admitindo e(t) como a entrada do controlador PID, tem-se u(t) como a saída do
processo:
A tarefa de sintonia de controladores Proporcional, Integral e Derivativo, na maioria
dos casos é realizada de forma empírica pelos operadores e técnicos responsáveis pelo
processo sob controle. A tarefa basicamente consiste em variar ganhos do controlador e
avaliar o impacto destas variações junto a variável de saída do processo. Ainda assim, por
vezes, encontrar o conjunto de ganhos satisfatórios para o início da operação de um dado
processo pode resultar em uma tarefa enfadonha e nada sistemática. Visando sistematizar tal
tarefa 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 parâmetros
iniciais, Kp, Ki, Kd de controladores tipo PID. Este trabalho deu origem a dois métodos de
sintonia, conhecidos como métodos de Ziegler- Nichols.
57
4.3.1 MÉTODOS DE SINTONIA DE MALHAS IAE
Este método considera que o principal parâmetro que representa a dinâmica do
processo e que deve ser usado para a obtenção da sintonia do controlador PID é a razão entre
o tempo morto e a constante de tempo do processo (SMITH, CORRIPIO, 2006).
Controlador Ganho Proporcional Tempo Integral Tempo Derivativo
PI
PID
Figura 45 – Tabela de fórmulas IAE para variação de set point.
Fonte: SMITH,CORRIPIO, 2006, p. 247.
58
Figura 46 – Resposta do processo com o controlador ajustado pelo método IAE (período de
amostra 10ms).
Fonte: Autores.
Após encontrado os valores do controlador e ajustados para o programa, notou-se que
a resposta obtida não satisfazia a proposta do projeto, pois o eixo Y não atingia o set point
mantendo uma oscilação constante em torno do mesmo.
Com essas respostas constatou-se que nesse tipo de processo não deveria ser realizada
a sintonia por testes em malha aberta.
Segundo Ogata (2003), o método se aplica quando a resposta da planta a uma entrada
em degrau unitário gerar uma curva com o aspecto de um S.
Por meio desta observação foi realizada uma entrada que faria com que a saída gerasse
uma curva em S, não respeitando a entrada em degrau unitário como uma entrada constante
no processo. O método procedeu desta forma por não conhecer que tipo de processo estaria
em estudo, pois ao realizar o teste em degrau unitário notava-se que a posição chegava ao
limite do cursor de forma progressiva e abrupta, fazendo com que o cilindro sem haste
colidisse com o fim de curso.
O teste em degrau unitário realizado só tornaria-se válido se o processo a ser testado
fosse estável, auto-regulativo, onde a saída gera uma curva em S, podendo ser encontrado os
59
valores de ganho ( ) pela diferença entre o valor inicial e final do sinal de saída ( ), tempo
morto ( ) e constante de tempo (63,2% de Y).
Figura 47 – Resposta em degrau de um processo estável.
Fonte: Adaptado de MOLLENKAMP, 1988, p 15.
Quando o processo é do tipo integrativo ou instável, não possui auto regulação, a
integração é um processo matemático de acumular a diferença entre entradas e saídas, se
aplicado o degrau neste tipo de processo, o sinal de saída tende a ser acumulado ao infinito, o
que é o caso do processo em estudo. A ideia de um ganho em regime estacionário e a
constante de tempo não se encaixa nesse tipo de processo porque não há valor final da saída
do processo. (MOLLENKAMP, 1988)
60
Figura 48 – Resposta em degrau de um processo instável.
Fonte: Adaptado de MOLLENKAMP, 1988, p 27.
4.4 SINTONIA DE CONTROLADORES PID EM MALHA FECHADA
Os métodos em malha fechada permitem o cálculo das ações de controle sem a
necessidade dos parâmetros do processo.
4.4.1 MÉTODO DE TENTATIVA E ERRO
Um dos métodos de sintonia mais utilizados é a sintonia por tentativa e erro, isto
resulta numa tarefa demorada. Este método consiste em modificar as ações de controle e
observar os efeitos na variável de processo. A modificação das ações continua até a obtenção
de uma resposta ótima. Em função da sua simplicidade é um dos métodos mais utilizados. A
variável de processo é a vazão, sua dinâmica é muito rápida sendo pequenos o tempo morto e
a constante de tempo, geralmente são utilizados controladores PI, pois a dinâmica do processo
é muito rápida, sendo pequeno o tempo morto e a constante de tempo (SILVA, 2000).
61
O Método de sintonia PID por Tentativa e Erro pode ser resumido nos seguintes
passos:
1. Eliminar a ação integral ( ) e a ação derivativa ( );
2. Colocar K em um valor baixo (ex: ) e coloque o controlador em automático;
3. Aumentar o valor de aos poucos até o processo entrar em ciclo contínuo
(importante não saturar a saída);
4. Reduza a metade;
5. Diminua aos poucos (ex: ) até o processo entrar em ciclo contínuo;
6. Ajuste para 3 vezes o valor;
7. Aumente aos poucos (ex: ) até o processo entrar em ciclo contínuo;
8. Ajuste para do valor.
Os resultados a seguir mostram os passos 1 ao 3 e 4 ao 6 devido a escolha de um
controlador PI.
Figura 49 – Resposta do processo com ganho crítico no método Tentativa e Erro (período de
amostra 100ms).
Fonte: Autores.
Ganho =
62
Figura 50 – Resposta do processo com tempo integral no método Tentativa e Erro (período de
amostra 100ms).
Fonte: Autores.
Integral =
Com esses parâmetros do controlador obteve-se um ótimo resultado do processo,
tornando este método viável para o projeto.
Figura 51 – Resposta do processo com o controlador PI ajustado pelo método Tentativa e Erro
(período de amostra 10ms).
Fonte: Autores.
63
4.4.2 MÉTODO ZIEGLER E NICHOLS
Tanto quanto o método de Tentava e Erro, o Método de Ziegler e Nichols baseia-se na
observação de resposta do processo e do conhecimento da estrutura do controlador.
Procedimentos
1. Determinar , considerando apenas o ganho proporcional, eliminando e
2. Pretende-se com este método obter da amplitude;
3. Determinar a frequência de oscilação para achar o período crítico
Com a malha fechada e usando somente a ação proporcional, aplica-se o ganho K aos
poucos até que a resposta do processo à aplicação de um degrau entre em ciclo contínuo. O
valor de K nesse momento é conhecido como (ganho crítico) que fica no limite da
estabilidade. No mesmo teste mede-se o tempo de pico a pico da oscilação do sinal senoidal,
(período crítico) (OGATA, 2003).
Figura 52 – Resposta do processo com ganho crítico no método Ziegler e Nichols (período de
amostra 100ms).
Fonte: Autores.
64
AÇÕES P PI
SÉRIE
PI
PARALELO
PID
SÉRIE
PID
PARALOLE
PID
MISTO
Maxi
0 0 0
Figura 53 – Tabela de sintonia pelo método de Ziegler e Nichols em malha fechada.
Fonte: (SENAI e CST, 1999).
Figura 54 – Resposta do processo com ganho crítico para medição do período crítico (período
de amostra 100ms).
Fonte: Autores.
65
ou 0,0555 min
Com os resultados desse método aplicado ao controlador houve uma ótima resposta do
processo, sendo assim o Método de Ziegler e Nichols satisfatório para o projeto.
Figura 55 – Resposta do processo com o controlador PI ajustado pelo método Ziegler e
Nichols (período de amostra 10ms).
Fonte: Autores.
4.5 MÉTODO DE CONTROLE PROPOSTO
Nesta seção será apresentado o método de controle proposto que melhor respondeu ao
quesito de posicionamento. Embora uma das vantagens da pneumática seja a velocidade de
resposta do processo, neste projeto notou-se que essa grandeza é inversa da precisão.
Escolheu-se o método de Ziegler e Nichols por apresentar um melhor controle quando
o erro é positivo, quando a posição tem um valor menor do que o setpoint. Durante os testes
66
de sintonia notou-se que o cilindro sem haste, eixo Y, atingia melhor o setpoint quando este
apresentava um valor maior do que a sua posição.
A resposta do controle do processo gerava um overshoot muito alto de 0,93 Vcc
(41,83mm), o qual prejudicava o posicionamento no eixo Y e gerava danos ao processo. Para
a posição ser atingida com o nível de precisão requerido, a entrada (saída do controlador) do
sinal da servo-válvula que antes era de 0 - 10 Vcc, passou a ser de 4,5 - 5,5 Vcc, com isso o
carretel da mesma fica restrito a uma vazão menor, assim diminuindo o overshoot e a
velocidade do processo, consequentemente aumentando a precisão.
Foram testados dois controladores, um PI e o outro PID:
No processo, o controlador PI apresentou uma resposta rápida com comportamento
senoidal, mas ao se aproximar do setpoint, o sistema oscilava em torno do mesmo tornando a
estabilização no setpoint mais demorada.
Figura 56 – Resposta do sistema com o controlador PI ajustado pelo método Ziegler e Nichols
com baixas vazões (período de amostra 200ms).
Fonte: Autores
67
No processo, o controlador PID apresentou uma resposta mais lenta, devido a atuação
derivativa sobre o erro, mas ao se aproximar do setpoint o sistema atingia a posição com
precisão rapidamente.
Figura 57 – Resposta do sistema com o controlador PID ajustado pelo método Ziegler e
Nichols com baixas vazões (período de amostra 200ms).
Fonte: Autores
Como cada um dos controladores apresentavam características diferentes, foi
desenvolvido no programa LabVIEW um chaveamento entre eles. Com isso as qualidades de
cada um foram selecionadas para o controle do processo. Quando a posição é distante do
setpoint o controlador torna-se PI, fazendo com que o cilindro sem haste aproxime-se mais
suavemente do setpoint. Quando a posição aproxima-se do setpoint o controlador torna-se
PID, fazendo com que o cilindro sem haste atinja a posição com uma maior precisão.
68
Figura 58 – Resposta do sistema com o chaveamento de controle PI/PID ajustado pelo método
Ziegler e Nichols com baixas vazões (periodo de amostra 100ms).
Fonte: Autores.
Devido ao chaveamento PI/ PID, a saída do controlador não zera e nem satura, porque
os valores anteriores a troca não são perdidos. Com as margens escolhidas entre posição e
setpoint, esse chaveamento transforma um único controlador PI em PID com uma suave
oscilação na sua saída no momento do chaveamento.
69
Figura 59 – Programa desenvolvido em LabVIEW, representa o controle analógico com a
saída da válvula limitada e um chaveamento entre PI e PID.
Fonte: Autores.
70
5 CONCLUSÃO
Ao longo de todo o projeto realizaram-se testes, visando manter todos os
procedimentos de operação do sistema proposto. O principal parâmetro a ser estabelecido é a
posição do cilindro sem haste, pois é necessário uma certa margem de precisão para o encaixe
e retirada do CD.
Com todos os testes realizados observou-se que os métodos de sintonia de malha
fechada foram mais satisfatórios.
Ambos os métodos de Ziggler e Nichols e de Tentativa e Erro mostraram ser eficazes
e atenderam as especificações de precisão do projeto proposto, mas ao longo dos testes, o
método de Ziegler e Nichols mostrou-se mais eficiente, pois o processo tem uma resposta
mais sensível ao erro, setpoint, positivo.
Usou-se a sintonia de controle Ziegler e Nichols. Fazendo um controlador PI, notou-se
um overshoot muito alto que poderia ser prejudicial ao processo. O overshoot de 0,93 Vcc
gerou uma oscilação de 41,85 mm, suficiente para que a garra pneumática, quando o eixo X
avançado, colidisse com o CD que estivesse no estojo e também, com essa oscilação, tornava-
se lento o posicionamento. Com isso, foi restringida a saída da válvula proporcional, antes 0-
10Vcc para 4,5-5,5Vcc eliminando-se o overshoot.
Embora o controlador PI não apresentasse mais o overshoot, ele levava muito tempo
até a estabilização da posição. Então testou-se o controlador PID.
Com o controlador PID atingia-se a posição com excelente precisão (margem de
2,475mm), mas até atingir a posição, o alinhamento tornava-se demasiadamente lento devido
a atuação derivativa sobre o erro. Então foi feito um chaveamento PI/PID que se alteravam
em uma faixa de proximidade do setpoint. Com isso o processo tornou-se mais rápido e
preciso.
71
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