BACHARELADO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E...

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


RAFAEL SILVA XAVIER



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


RAFAEL SILVA XAVIER



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


...........................................................................................................................................

Prof. Sérgio de Assis Galito de Araújo

Mestre em Engenharia Mecânica - UFF


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


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


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


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


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.


.

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.


- 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.


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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