• Nenhum resultado encontrado

No Cap´ıtulo 4 foram definidas as equa¸c˜oes do modelo e posteriormente foram resumidos na Tabela 5 os seus par^ametros e como seriam obtidos. No mesmo cap´ıtulo a Equa¸c˜ao (4.14) e a Figura 17 apresentam a planta do sistema e a estrutura do controlador. Para estes tamb´em devem ser identificados seus respectivos par^ametros.

5.1.1

Modelo

Como identificado na Tabela 5 alguns valores do modelo devem ser medidos. S˜ao eles: 𝑅𝑙 dist^ancia entre os eixos traseiro e frontal, 𝑅𝑓 dist^ancia entre as rodas castor, 𝑅𝑟

raio das rodas traseiras, 𝐿 dist^ancia entre as rodas traseiras e 𝑟 a dist^ancia entre o ponto de contato com o piso das rodas castor e seu piv^o vertical.

Tabela 6 – Par^ametros medidos da cadeira.

Par^ametro Valor

𝑅𝑙 0, 440 m

𝑅𝑓 0, 565 m

𝑅𝑟 0, 245 m

𝐿 0, 630 m

𝑟 0, 100 m

Da Equa¸c˜ao (4.5) (𝜏 = 𝐾2𝐸𝑎 − 𝐾1𝜔) ser´a obtido o par^ametro 𝐾2 de cada um

dos motores. 𝐾2 ´e uma constante que engloba dois par^ametros do motor: a resist^encia do

circuito de armadura e a constante de torque. Para obter 𝐾2foi realizado um experimento

Figura 22 – Arranjo experimental em rampa.

´

e aplicado pelos motores da cadeira de forma que ela n˜ao se mova. Com isso a Equa¸c˜ao (4.5) fica:

𝐾2 =

𝜏 𝐸𝑎

(5.1) Deste modo montou-se um experimento onde a cadeira foi colocada em uma rampa e uma tens˜ao foi aplicada nos motores de maneira que a cadeira n˜ao se movesse. Para medir o torque utilizou-se a decomposi¸c˜ao da for¸ca peso numa rampa de inclina¸c˜ao 𝛽 multiplicado pelo raio da roda (Equa¸c˜ao (5.2)). A tens˜ao aplicada, 𝐸𝑎, pode ser medida

por instrumentos.

𝜏 = 𝑃 sin(𝛽)𝑅𝑟 (5.2)

Para realizar o experimento foi montada uma rampa com quatro ajustes de in- clina¸c˜oes diferentes e duas massas diferentes: vazio (68 kg) e com um ocupante (138 kg). Para cada inclina¸c˜ao e massa o experimento foi repetido quinze vezes e a cada vez a inclina¸c˜ao da rampa era novamente medida a fim de se excluir poss´ıveis diferen¸cas. O arranjo experimental utilizado pode ser visualizado na Figura 22.

Ap´os os experimentos obteve-se os seguintes valores de 𝐾2:

Tabela 7 – Valores de 𝐾2 em [N m V−1]

Peso 68 kg 138 kg

Motor Esquerdo Direito Esquerdo Direito

𝐾2 16,50 15,55 18,56 17,89

Desvio Padr˜ao 0,87 1,04 1,63 1,65

equa¸c˜oes (4.5) e (4.11):

𝐾2𝐸𝑎− 𝐾1𝜔 − 𝜏𝑎𝑡𝑟(1 − sin (𝜃𝑐− 𝛼)) = 𝐽 ˙𝜔 + 𝐵𝜔 (5.3)

Ao considerar que durante o experimento a roda castor estar´a alinhada com a trajet´oria, 𝜃𝑐= 𝛼, elimina-se a parcela do seno. Considera-se, ainda, que a cadeira move-

se com velocidade constante.

𝜔 = 𝐸𝑎𝐾2

(𝐵 + 𝐾1)

− 𝜏𝑎𝑡𝑟

(𝐵 + 𝐾1)

(5.4) Como pode-se notar a Equa¸c˜ao (5.4) ´e da forma 𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏. Sabendo-se disso executou-se um experimento em que foram aplicadas diferentes tens˜oes nos motores e as velocidade de regime foram medidas. De posse destes dados tra¸cou-se uma reta e obteve- se seus coeficientes 𝑎 e 𝑏. Com esses coeficientes pode-se determinar os valores de 𝜏𝑎𝑡𝑟 e

𝐵 + 𝐾1.

𝐵 + 𝐾1 =

𝐾2

𝑎 (5.5a)

𝜏𝑎𝑡𝑟 = −𝑏(𝐵 + 𝐾1) (5.5b)

Para que durante os experimento as rodas castor estejam alinhadas, escolheu-se que a cadeira deve andar em linha reta. Tal escolha foi feita pois facilita a orienta¸c˜ao inicial das rodas castor e a escolha das tens˜oes a serem aplicadas no motor.

Para o experimento foram escolhidos sete diferentes n´ıveis de tens˜ao que fazem com que a cadeira se desloque em linha reta. Como diferen¸cas significativas n˜ao foram observadas no valor da velocidade para uma mesma tens˜ao, somente uma tentativa foi feita para cada n´ıvel de tens˜ao.

Ap´os o experimento obteve-se os pontos mostrados na Figura 23 e foram ajustadas as respectivas retas utilizando um estimador de m´ınimos quadrados. Com as retas obtidas ´

e poss´ıvel determinar os coeficientes da Tabela 8. E atrav´es das Equa¸c˜oes (5.5) obt^em-se os par^ametros da Tabela 9.

Tabela 8 – Coeficientes das retas.

Peso 68 kg 138 kg

Motor Esquerdo Direito Esquerdo Direito

𝑎 0,4299 0,438 0,4221 0,4234

𝑏 -0,533 -0,504 -0,5177 -0,5179

Resta ainda encontrar o valor da in´ercia 𝐽 do conjunto, vista pelos motores es- querdo e direito. Para tanto retoma-se a Equa¸c˜ao (5.3) sem desprezar acelera¸c˜oes e atrito,

Tensão [V] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Velocidade [rad s -1] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

4 Tensão Velocidade com massa de 138kg Motor Esqeurdo

Curva de Tendência Motor Direito Curva de Tendência

(a) Experimento para cadeira com peso de 68 kg.

Tensão [V] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Velocidade [rad s -1] 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

4 Tensão Velocidade com massa de 138kg Motor Esqeurdo

Curva de Tendência Motor Direito Curva de Tendência

(b) Experimento para cadeira com peso de 138 kg. Figura 23 – Experimento tens˜ao velocidade.

Tabela 9 – Valores dos par^ametros 𝐾1 + 𝐵 [N m rad−1s] e 𝜏𝑎𝑡𝑟 [N m] .

Peso 68 kg 138 kg

Motor Esquerdo Direito Esquerdo Direito

𝐾1+ 𝐵 38,38 35,51 43,97 42,25

𝜏𝑎𝑡𝑟 20,46 17,89 22,76 21,88

por´em considerando novamente que as rodas castor permanecer˜ao alinhadas. Ent˜ao, ao aplicar-se a transformada de Laplace tem-se:

𝜔(𝑠) 𝐸𝑎(𝑠) = 𝐾2 𝐵+𝐾1 − 𝜏𝑎𝑡𝑟 𝐸𝑎(𝑠)(𝐵+𝐾1) (︁ 𝐽 𝑠 𝐵+𝐾1 + 1 )︁ (5.6)

Com a Equa¸c˜ao (5.6) tem-se a fun¸c˜ao de transfer^encia de cada motor. Ao analisar essa equa¸c˜ao v^e-se que ela corresponde a uma equa¸c˜ao de primeira ordem com o ganho dado pelo valor do numerador e a constante de tempo, Γ, dada por 𝐵+𝐾𝐽

1. Portanto para obter-se o valor da in´ercia de cada conjunto, deve-se obter a constante de tempo da resposta de velocidade.

𝐽 = Γ (𝐵 + 𝐾1) (5.7)

Com o mesmo experimento usado para obter 𝐾1+𝐵 e 𝜏𝑎𝑡𝑟, utiliza-se um estimador

de m´ınimos quadrados para obter os valores de Γ para cada uma das sete tens˜oes apli- cadas. A partir desses valores ´e obtida uma m´edia das constantes de tempo e seu desvio padr˜ao, apresentados na Tabela 10. De posse destas m´edias, os valores 𝐽 s˜ao encontrados utilizando-se a Equa¸c˜ao (5.7) e s˜ao apresentados na Tabela 11.

Tabela 10 – M´edias das constantes de tempo.

Peso 68 kg 138 kg

Motor Esquerdo Direito Esquerdo Direito

¯

Γ 0,481 0,485 0,535 0,568

Desvio Padr˜ao 0,059 0,046 0,031 0,033

Tabela 11 – Valores das constantes de in´ercia [N m rad−1s2].

Peso 68 kg 138 kg

Motor Esquerdo Direito Esquerdo Direito

𝐽 18,47 17,23 23,52 24,01

5.1.2

Planta linearizada

Ao definir-se a planta linearizada do sistema na Equa¸c˜ao (4.14) (reapresentada abaixo) pode-se determinar o ganho 𝐾 da Equa¸c˜ao (4.14), atrav´es das constantes 𝐾1 e

𝐾2 previamente identificadas . Por outro lado, para determinar a constante de tempo o

par^ametro 𝛿 deve ser identificado.

𝜔(𝑠) 𝐸𝑎(𝑠) = 𝐾2 𝐾1 𝐽 𝑠 𝐾1(1−𝛿) + 1 = 𝐾 Γ𝑠 + 1

O par^ametro 𝛿 modela a carga adicional em cada motor devido ao desalinha- mento das rodas castor. Como jamais o desalinhamento das rodas castor ir´a movimentar por si s´o a cadeira, restringe-se 𝛿: 0 ≤ 𝛿 ≤ 1. Como as rodas se alinham conforme a cadeira movimenta-se, 𝛿 sempre tende a zero, por´em para o projeto dos controladores considera-se 𝛿 fixo, uma vez que, na planta linearizada n˜ao ser˜ao considerados altera¸c˜oes dos par^ametros. Com tal condi¸c˜ao, deve-se escolher um valor para 𝛿 que consiga repre- sentar a dificuldade no arranque (𝛿 > 0), mas que n˜ao interfira de forma expressiva na velocidade de regime (𝛿 = 0) fazendo com que o projeto dos controladores trate um planta muito mais lenta do que ´e na maioria das vezes. Com isso, adota-se a orienta¸c˜ao de 45 ∘ para as rodas castor.

Portanto, para determinar o valor de 𝛿 adotou-se o seguinte experimento: as rodas castor foram orientadas a 45∘e tens˜oes foram aplicadas no motor de maneira que a cadeira se deslocaria em linha reta. Tal experimento foi repetido 5 vezes para as rodas orientadas a 45 ∘ e −45 ∘. Com as resposta de velocidade obteve-se atrav´es de um estimador de m´ınimos quadrado a constante de tempo de cada resposta, e ent˜ao obteve-se a m´edia das constantes de tempo, como mostrado na Tabela 12. Todos os valores foram obtidos para uma carga de 138 kg.

Tabela 12 – M´edia das constantes de tempo. 𝛼𝑙[∘] 𝛼𝑟[∘] Γ¯𝑙 Γ¯𝑒

-45 -45 0,605 1,162

45 45 0,947 0,627

desta se¸c˜ao), a constante de tempo do sistema ´e alterada por 𝛿. Dos experimentos da Se¸c˜ao 5.1.1 sabe-se os valores das constantes de tempo quando as rodas castor est˜ao alinhadas (𝛿 = 0). Posto isso e a partir dos valores da Tabela 12 s˜ao obtidos os valores de 𝛿 apresentados na Tabela 13.

Tabela 13 – Valores de 𝛿 para as orienta¸c˜oes das rodas castor. 𝛼𝑙[∘] 𝛼𝑟[∘] 𝛿𝑙 𝛿𝑟

-45 -45 0,037 0,498

45 45 0,384 0,071

Dos valores da Tabela 13 ser˜ao utilizados os maiores valores de 𝛿𝑟 e 𝛿𝑙, pois s˜ao

valores que influenciam mais na resposta do sistema. Portanto 𝛿𝑟 = 0, 49 e 𝛿𝑙 = 0, 38.

Documentos relacionados