Tiago Lucas Kurmann
APLICAO DE UM SISTEMA DE CONTROLE FUZZY PARA REDUO NO BALANO DE
CARGA PARA PONTE ROLANTE
UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL UCSCAMPUS UNIVERSITRIO DA REGIO
DOS VINHEDOS CARVICENTRO DE CINCIAS EXATAS DA NATUREZA E DE
TECNOLOGIA CENTENGENHARIA ELTRICATiago Lucas Kurmann
Orientador: Prof. Me. Ricardo BeckerData: 26/11/2013Trabalho de
Concluso de Curso IIApresentao do trabalho1Sumrio
Trabalho de Concluso de Curso II8. Bibliografia 2. Situao
Problema 3. Objetivos4. Reviso Bibliogrfica6. Proposta de
Implementao 7. Resultados 1. Contexto de Aplicao5. Procedimento
MetodolgicoO trabalho ir abordar os seguintes tpicos, que foram
adicionados para a completa compreenso do trabalho.
2Contexto de Aplicao
Trabalho de Concluso de Curso IIFonte: Adaptado site Mollyn,
2012.
A ponte rolante constitui um meio de locomoo de cargas num espao
tridimensional definido.O equipamento comumente usado em portos e
indstrias.Para quem no conhece um equipamento do tipo ponte
rolante, esse um desenho bem fiel, os trilhos laterais so
geralmente posicionados ao longo do pavilho (no caso de indstria),
sendo a trole a parte que se move transversalmente, a cabeeira se
move ao longo dos trilhos e o guincho se move verticalmente.
A ponte rolante um equipamento especial para movimentar cargas
pesadas dentro do seu limite de atuao, diferentemente de uma
empilhadeira por exemplo, eles tem limites e funcionalidades
diferentes.
Seu uso amplo em indstrias e portos, na carga e descarga de
conteineres em navios.3
Situao Problema
Trabalho de Concluso de Curso II
A ponte rolante suspende a carga a ser transportada por meio de
cabos de ao;
A movimentao da ponte rolante realizada por operadores
humanos;
A carga transportada sofre o efeito pendular, causando a oscilao
ao longo do trajeto.Para se obter a flexibilidade de transporte nos
trs eixos, a ponte rolante usa cabos de ao para elevar a carga,
porm, ao ser movida no espao x y, a carga sofre o efeito pendular,
dificultando o transporte e criando situaes inseguras para pessoas
e podendo causar danos materiais na coliso da carga com outros
equipamentos.
Fora o fato de as pontes rolantes serem operadas por operadores
humanos, que dependendo do seu estado emocional, fsico ou
psicolgico podem piorar ainda mais o problema e a falta de segurana
no transporte.4Objetivo GeralPropor a implementao de um sistema de
controle fuzzy capaz de atenuar o balano numa carga transportada
atravs de uma ponte rolante.
Trabalho de Concluso de Curso IIO sistema de controle dever ser
capaz de atenuar o balano enquanto o mesmo operador d a direo do
deslocamento da ponte rolante....
Sendo essa inclusive uma das limitaes do trabalho, no gerar
trajetrias ou controle de posicionamento, somente atenuar o balano
na carga, diferentemente de outros trabalhos semelhantes na mesma
rea.5Objetivos EspecficosConstruo de um prottipo simplificado de
ponte rolante para implementao do controlador;Caracterizao do
sensor necessrio para a aplicao da medio do balano no prottipo da
ponte rolante;Implementao de tcnicas de controle fuzzy para atenuao
da oscilao da carga transportada;Validar de forma comparativa a
implementao do controlador atravs da anlise da resposta obtida da
planta, com o referencial bibliogrfico levantado.
Trabalho de Concluso de Curso IISer construdo um prottipo de
ponte rolante simplificada, com os requisitos fundamentais para a
aplicao do controle desenvolvido. Foram citadas vrias vezes no
texto simplificado, isso quer dizer que o prottipo no ir ter todas
as caractersticas da ponte real, como botoeiras, sensores
fim-de-curso, guincho...etc
Caracterizao dos sensores necessrios para a medio de ngulo
Implementao das tcnicas de controle fuzzy
Validar o controlador com base na especificao requerida para o
projeto e trabalhos da rea6Reviso Bibliogrfica1. Conceitos de lgica
fuzzy;2. Trabalhos Relacionados:A new Fuzzy-Logic Anti-Swing
Control for Industrial Three-Dimensional Overhead Crane,
(2001);Aplicao de Tcnicas de Modelagem e Controle em Sistemas Tipo
Ponte Rolante, (2010).Anti-swing control with hierarchical fuzzy
CMAC compensation for an overhead crane.3. Sensores e plataforma de
desenvolvimento:Mdulo acelermetro e giroscpio;Plataforma Arduino
UNO.
Trabalho de Concluso de Curso IINa reviso bibliogrfica, os
principais assuntos abordados so:
Os tipo de controle propostos; os trabalhos relacionados; a
plataforma de desenvolvimento e sensores.71. Conceitos de lgica
fuzzy:
Reviso Bibliogrfica
Trabalho de Concluso de Curso II
Fonte: O autor (2013).
Fonte: O autor (2013).
No controlador baseado em lgica fuzzy, o sistema tenta imitar o
comportamento humano, traduzindo nmeros em variveis lingusticas de
fcil entendimento para um operador, por exemplo.
A entrada vinda de um sensor convertida em termos de conjuntos
fuzzy, ou fuzzificada... Na inferncia so aplicadas as regras que
iro formar a inteligncia do controlador... E a sada traduz a sada
fuzzy do sistema para um nmero real, para que o atuador possa
aplic-lo planta...
Ao lado so mostrados alguns tipos de funes de pertinncia...
Triangulares, trapezoidais e gaussianas...82. Trabalhos
Relacionados:A new Fuzzy-Logic Anti-Swing Control for Industrial
Three-Dimensional Overhead Crane, (2001);
Reviso Bibliogrfica
Trabalho de Concluso de Curso IIFonte: Adaptado Lee e Cho
(2001).
Nesse trabalho foi proposto um sistema de controle fuzzy para
controle do balano na carga em uma ponte rolante tridimensional,
junto com um controle do comprimento e posio do cabo atravs de
servomecanismos. Ao final, os controladores foram testados em um
prottipo, sendo evidenciadas robustez e preciso no controle do
equipamento.92. Trabalhos Relacionados:Aplicao de Tcnicas de
Modelagem e Controle em Sistemas Tipo Ponte Rolante, (2010).
Reviso Bibliogrfica
Trabalho de Concluso de Curso II
Fonte: Adaptado Costa (2010).
Fonte: Adaptado Costa (2010).
Neste trabalho, Costa projetou vrios tipos de controladores,
PID, fuzzy e controle por realimentao de estados (frmula de
Ackermann), sendo que ao final do processo, concluiu que os
controladores no eram implementveis pois o sinal de comando a ser
enviado aos atuadores, representavam valores maiores do que as
tenses nominais permitidas para os motores utilizados.102.
Trabalhos Relacionados:Anti-swing control with hierarchical fuzzy
CMAC compensation for an overhead crane (2007).
Reviso Bibliogrfica
Trabalho de Concluso de Curso II
Fonte: Adaptado Rodriguez et al. (2007).
Breve explicao dos trabalhos da rea, para comparao113. Sensores
e plataforma de desenvolvimento:Plataforma Arduino UNO;
Trabalho de Concluso de Curso II
Reviso BibliogrficaFonte: O autor (2012).
Fonte: Atmel Corporation Inc.(2009).
Essa plataforma foi desenvolvida por Italianos em 2005, para
oferecer uma soluo de menor custo, em relao aos concorrentes da
poca...
Possui...123. Plataforma de desenvolvimento e sensores:Mdulo
acelermetro e giroscpio.
Trabalho de Concluso de Curso II
Reviso BibliogrficaFonte: O autor (2013).
Fonte: Adaptado de Analog Devices (2009), InvenSense (2009),
InvenSense (2008), STMicroelectronics (2007), STMicroelectronics
(2009).Suas principais caractersticas so:..................
Vale lembrar que ele pode medir nos 3 eixos, enquanto o
giroscpio mede em apenas dois!13Procedimento MetodolgicoTrabalho de
Concluso de Curso II
Fonte: O autor (2013).A proposta de desenvolvimento consiste em
formular um sistema de controle que seja capaz de atenuar o balano
na carga, devido ao efeito pendular, nos transportes em
equipamentos do tipo ponte rolante.... Aps o projeto do sistema de
controle, implement-lo no prottipo de ponte rolante a ser
construdo, para fins de validao ou no do sistema de controle...
14Trabalho de Concluso de Curso II
Fase 1: Deteco de ngulo;
Fase 2: Sistema de controle;
Fase 3: Atuao no prottipo;
Fase 4: Validao.Procedimento MetodolgicoSlide de transio, para
passar ao detalhamento de cada etapa15
Trabalho de Concluso de Curso II
Fase 1: Deteco de ngulo;
Fonte: Adaptado site Starlino, 2013.Fonte: Adaptado site
Instructables, 2013.Proposta de ImplementaoFonte: O autor
(2013).Explicao do acelermetroExplicao do giroscpioExplicao da fuso
sensorial16Trabalho de Concluso de Curso II
Fase 1: Deteco de ngulo;Proposta de Implementao
Fonte: O autor (2013).Esse grfico foi obtido atravs do processo
de medio descrito no slide anterior, mostrando os sinais do
acelermetro, integrao do giroscpio e a fuso dos dois sinais.17
Trabalho de Concluso de Curso II
Fase 2: Sistema de controle:
Fonte: O autor (2013).Proposta de ImplementaoO sistema de
controle fuzzy apresentado na figura. A fuzzificao o processo de
tornar o dado da varivel do domnio real para o domnio fuzzy. A
inferncia segue o modelo mamdani. Na inferncia entram as regras
definidas pelo especialista humano, que ir traduzir as aes de
controle em termos dos conjuntos fuzzy associados.
A tabela de regras foi alcanada seguindo o exemplo dado do livro
Lgica fuzzy (Simoes e Shaw), onde o exemplo fazer a tabela de
regras com base na resposta do sistema em malha aberta,
estabelecendo regras de controle com base nos pontos de mximos e
mnimos e nos cruzamentos pelo ponto de referncia.
Modelo MAMDANIAgregao MXIMOImplicao PRODUTO18
Trabalho de Concluso de Curso II
Fase 3: Atuao no prottipo:
P direito: 7 m;Largura do pavilho: 20 m;Comprimento do pavilho:
100 m;Fabricante da ponte rolante: DEMAG;Capacidade de transporte:
5 toneladas;Velocidade da trole: 0,91 m/sFonte: O autor
(2013).Proposta de ImplementaoO prottipo foi construdo com base em
uma ponte rolante real. A ponte rolante tem as seguintes
caractersticas:
Tempo que a ponte rolante leva para atravessar os 20 metros de
22 segundos.19Proposta de ImplementaoTrabalho de Concluso de Curso
II
Fonte: O autor (2013).Velocidade da trole: 0,93 cm/sMostrar
sistema de correia e polia dentada.O motor acoplado uma pequena
caixa redutora, saindo com 68,5 RPMO trilho tem 1,5 metros de
comprimento, reduzindo a escala.20Proposta de ImplementaoTrabalho
de Concluso de Curso II
Fase 4: ValidaoA validao se dar com a comparao dos resultados
obtidos com trabalhos de outros autores;
Atravs do enquadramento nos parmetros preestabelecidos para o
sistema.A grande maioria dos trabalhos citados no tpico do estado
da arte, no definem parmetros para os seus sistemas. Simplesmente
se limitam a analisar os resultados obtidos atravs dos
controladores projetados.
Devido ausncia de parmetros nesse sentido (ngulo de balano),
Humberto Costa definiu no seu trabalho, tempos de estabilizao de 5
a 8 segundos, no definindo um ngulo.
Como parmetro, neste trabalho foi definido 2,5 graus, para
balano mximo.21Proposta de ImplementaoTrabalho de Concluso de Curso
II
Testes experimentaisFonte: O autor (2013).Os testes
experimentais foram realizados novamente com base na realidade da
ponte rolante, sendo definidos alguns ngulos de oscilao inicial,
gerados via software.22
ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Testes experimentais Mudana do processo de medio do nguloFonte:
O autor (2013).Logo que colocado a IMU no pndulo, acoplado ao
prottipo, percebeu-se que apesar do sinal de sada, resultante da
fuso sensorial apresentava um resultado de medio abaixo do
esperado.
Ento, foram coletados os trs sinais separadamente, para realizar
uma anlise do que estava acontecendo.23
ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Testes experimentais Mudana do processo de medio do nguloFonte:
O autor (2013).Foi testado com outro sensor acelermetro, do
fabricante FreeScale, para a certificao de que o problema no estava
no acelermetro em si, presente na IMU usada.
24ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Testes experimentais Mudana do processo de medio do nguloFonte:
O autor (2013).Desse modo, como o acelermetro apresentou resultados
inesperados na medio do ngulo de balano, foi decidido usar apenas o
sensor giroscpio. Atravs da integrao do sinal desse sensor possvel
detectar o ngulo em que o pndulo se encontra.
Foi optado por no integrar o sinal do giroscpio, por possuir
erros de baixas frequncias caractersticos desse sensor, que
prejudicariam a medio de ngulo. Assim, foi usada a informao de
velocidade angular, atendendo perfeitamente aos propsitos do
sistema, pois quando a velocidade angular prxima de zero, h balano
nulo.25ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Perturbao inicial de 6 graus
Fonte: O autor (2013).Apresentao dos resultados dos testes
experimentais26ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Perturbao inicial de 10 graus
Fonte: O autor (2013).Apresentao dos resultados dos testes
experimentais27ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Perturbao inicial de 15 graus
Fonte: O autor (2013).Apresentao dos resultados dos testes
experimentais28ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Resultados de outros autores
Fonte: Adaptado Yoshida e Tsuzuki (2006).Fonte: Adaptado Costa
(2010).Os trabalhos da rea, citados no estado da arte, possuem
vrias maneiras de sensoreamento, porm nenhum deles usou sensores
inerciais para a medio.
O da figura da esquerda, apresenta um sistema de controle
anti-balano com realimentao visual, atravs de cmeras que informam a
posio do pndulo.
O da figura da direita, traz o resultado do projeto de trs
controladores, PID, Realimentao de estados e Fuzzy. O controlador
fuzzy foi o que apresentou o melhor desempenho para o controle
anti-balano29
ResultadosTrabalho de Concluso de Curso II
Perturbao no comprimento do cabo (Videos 1 e 2)Fonte: O autor
(2013).Teste com 30 graus de perturbaoApresentao dos resultados de
perturbao no comprimento do cabo, citando o trabalho do Costa, que
preveu perda no desempenho dos controladores projetados ao se fazer
esse tipo de perturbao.
Introduo da ideia de acrescentar a varivel do cabo como uma
entrada do sistema, como melhoria.30ResultadosTrabalho de Concluso
de Curso II
Acoplamento de variveis do modelo matemtico
Fonte: Adaptado Trabia et al. (2006).Detalhamento da figura,
mostrando o resultado alcanado pelo modelamento matemtico do autor
(Trabia et al), acusando que o comprimento do cabo uma varivel do
sistema e que a sua variao deve ser considerada.31Trabalho de
Concluso de Curso II
Resultados com teste de partida e parada;Fonte: Adaptado Trabia
et al. (2006).
Fonte: O autor (2013).Essa parte no consta no trabalho escrito,
sendo que foi desenvolvida no decorrer desta ltima semana.
O teste foi feito com partida e parada com e sem
rampa.32Trabalho de Concluso de Curso II
Resultados com teste de partida e parada (Video 3)
Fonte: O autor (2013).Este o teste completo do sistema,
simulando um balano inicial, com ao de controle e parada do
movimento.33BibliografiaATMEL CORPORATION INC. Atmel 8-bit
Microcontroller with 4/8/16/32Kbytes Inn-System Programmable Flash
- ATmega48PA, ATmega88PA, ATmega168PA, ATmega328P. Disponvel em
Acesso em: 28 out. 2012.ANALOG DEVICES. Data sheet Accelerometer
ADXL335. Rev.B, 2009. Disponvel em Acesso em: 5 set. 2012.COSTA,
H.C. Aplicao de Tcnicas de Modelagem e Controle em Sistemas tipo
Ponte Rolante. 148f. Dissertao de Mestrado, Instituto Militar de
Engenharia, 2010.INSTRUCTABLES. PCB Quadrotor (Brushless).
Disponvel em Acesso em 09/05/2013.INVENSENSE Inc. IDG-655 Dual-Axis
Gyro Product Specification. 2009. Disponvel em Acesso em: 5 set.
2012
Trabalho de Concluso de Curso II34BibliografiaRODRIGUEZ, F., O.,
et al. Anti-swing control with hierarchical fuzzy CMAC compensation
for an overhead crane, 22nd IEEE International Symposium on
Intelligent Control, Singapore, 2007.STARLINO. Starlino Electronics
Project. Disponvel em: < http://www.starlino.com/imu_gui
de.html> Acesso em 04/05/2013.MOLLYN. Mollyn Crane Systems.
Disponvel em: Acesso em 08/09/2012.LEE, H. H. e CHO, S. K. A New
Fuzzy-Logic Anti-Swing Control for Industrial Three-Dimensional
Overhead Cranes. Proceedings of the IEEE International Conference
on Robotics and Automation, Seoul, Korea, p. 2956-2961, May
2001.TRABIA, M., B. et al. A General Anti-swing Fuzzy Controller
for an Overhead Crane with Hoisting, International Conference on
Fuzzy Systems, IEEE, Vancouver, Canada, 2006.YOSHIDA, Y., TSUZUKI,
K., Visual Tracking and Control of a Moving Overhead Crane Load,
Chubu University, Aichi, Japan, 2006.
Trabalho de Concluso de Curso II35APLICAO DE UM SISTEMA DE
CONTROLE FUZZY PARA REDUO NO BALANO DE CARGA PARA PONTE ROLANTE
Obrigado!
UNIVERSIDADE DE CAXIAS DO SUL UCSCAMPUS UNIVERSITRIO DA REGIO
DOS VINHEDOS CARVICENTRO DE CINCIAS EXATAS DA NATUREZA E DE
TECNOLOGIA CENTENGENHARIA ELTRICATiago Lucas KurmannTrabalho de
Concluso de Curso IIApresentao do trabalho36
