Elementos Principais do Sistema

Os dispositivos instalados na bancada podem ser agrupados em termos de quatro sistemas básicos, de acordo com seu papel na operação da bancada: atuador pneumático, sistema de transdução e condicionamento de sinais, unidade de condicionamento do fluido de trabalho (ar comprimido) e sistema de aquisição e processamento de dados. As funções específicas de cada um desses sistemas são descritas a seguir. O detalhamento dos itens que compõem cada uma dessas unidades (incluindo as tabelas referentes às suas especificações técnicas mais importantes) é feito no Anexo IV.

Figura 6.2 – Bancada pneumática experimental – representação esquemática

Sistema de Atuação Pneumática

O atuador pneumático da bancada consiste de um cilindro de dupla ação sem haste e de uma servoválvula direcional. O cilindro é responsável pelo posicionamento da carga acoplada ao seu êmbolo em função das diferenças entre as pressões geradas no interior de suas duas câmaras. A servoválvula direcional tem por fim regular as vazões de pressurização e/ou exaustão das câmaras do cilindro de forma proporcional ao sinal de controle aplicado, de

modo que a diferença de pressão necessária ao movimento desejado para a carga seja suprida ao êmbolo. É importante ressaltar que essa servoválvula é dotada de um esquema interno de realimentação da posição do carretel. Deste modo, pode-se assegurar que a abertura da mesma em função da tensão aplicada tenha comportamento aproximadamente linear, independentemente da pressão de suprimento. As principais informações técnicas referentes à servoválvula e ao cilindro atuador podem ser encontradas nas tabelas IV.1 e IV. 2 (no Anexo IV), respectivamente.

Unidade de Condicionamento do Ar

A unidade de condicionamento é responsável pela filtragem do ar proveniente da linha de suprimento do LAMECC (cujo ar é fornecido por um compressor montado externamente ao laboratório) e pela regulagem da pressão de trabalho da bancada. As funções de filtragem do ar e regulagem da pressão de trabalho são realizadas por uma única unidade de tratamento de ar composta de um filtro de ar (com dreno manual para retirada do excesso de umidade), uma válvula manual de ajuste de pressão, e um manômetro. As principais informações referentes à unidade de tratamento do ar comprimido são dadas na Tabela IV.3 do Anexo IV.

Além da unidade de tratamento, o sistema de condicionamento do ar utilizado também dispõe de um vaso de pressão (reservatório de ar) próprio, destinado a prover maior estabilidade ao valor da pressão de trabalho da bancada. A presença desse reservatório é muito importante em decorrência da existência de outras aplicações no laboratório que também utilizam o ar comprimido fornecido pela linha de suprimento. De acordo com seus regimes de operação, essas aplicações podem causar oscilações significativas na pressão da linha de suprimento do laboratório, afetando com isso a estabilidade da pressão de trabalho da bancada pneumática. O vaso de pressão utilizado tem capacidade de 108 [l] (0,108 [m3]), e suporta uma pressão manométrica máxima de 17 bar (1,7 [MPa]).

Sistema de Transdução e Condicionamento de Sinais

O sistema de transdução e condicionamento compreende os sensores de pressão e de posição utilizados na bancada experimental, acrescidos de seus respectivos circuitos para condicionamento dos sinais elétricos por eles fornecido de modo que estes últimos sejam lidos adequadamente pela unidade de aquisição e processamento de dados.

O sensor utilizado para monitorar a posição do êmbolo do cilindro atuador é do tipo régua potenciométrica, montada em paralelo ao cilindro pneumático. O cursor da régua é conectado ao carro do atuador pneumático por meio de uma pequena barra metálica

devidamente engastada entre os dois elementos móveis. A leitura do sinal de posição é feita diretamente em termos de tensão elétrica, com base no conceito da divisão da tensão aplicada ao sensor como um todo. Como se pode verificar na Tabela IV.4, os valores constatados para o desvio de linearidade na resposta desse sensor são reduzidos. Por essa razão, na utilização dos sinais provenientes do mesmo da parte do algoritmo de controle, assume-se que a relação entre o deslocamento do conjunto carro+sensor e a variação na tensão elétrica correspondente é linear.

Para aquisição das pressões em ambas as câmaras do cilindro atuador, são utilizados dois sensores de pressão relativa (manométrica). Esses sensores são alimentados por meio de tensão elétrica, fornecendo uma saída em corrente elétrica que é função linear da pressão manométrica da linha à qual estão conectados. Cada sensor está conectado a uma das saídas da servoválvula. As principais características técnicas destes sensores são apresentadas na Tabela IV.5, também no Anexo IV. Para serem lidas pela unidade de aquisição e processamento de dados, as correntes elétricas que caracterizam o sinal de pressão lido pelos sensores precisam ser convertidas para tensões elétricas correspondentes. Por essa razão, as correntes geradas pelos sensores são aplicadas a resistores de precisão, de modo que o sinal lido pela unidade de aquisição é a tensão elétrica sobre esses resistores.

Sistema de Aquisição e Processamento de Dados

O sistema de aquisição e processamento de dados é o responsável por utilizar os dados provenientes dos sinais medidos na bancada para, com base na trajetória programada para o servoposicionador pneumático, calcular o valor do sinal elétrico de controle a ser aplicado à servoválvula. Esse sistema é composto por uma placa dedicada de aquisição e processamento de dados para fins de controle em tempo real, hospedada em um PC comum.

A placa dedicada para controle em tempo real é um modelo DS – 1004, fabricado pela companhia alemã dSPACE. Trata-se de uma unidade de alta capacidade, projetada especificamente com o fim de executar tarefas de controle em tempo real com sólidas garantias com respeito aos seus tempos de execução. Para esse fim, a placa DS – 1004 já dispõe de todos os recursos necessários à execução dessas tarefas (conversores A/D – D/A, conjuntos de bits de entrada e saída digital, unidades de memória, processador, entre outros) instaladas em sua própria estrutura. O único recurso que essa placa necessita receber de seu PC hospedeiro é a tensão de alimentação. Dessa forma, o desempenho das tarefas de processamento realizadas pela placa dedicada é totalmente independente das características do PC hospedeiro. Além disso, essa placa vem acompanhada de um pacote de ferramentas

computacionais específicas, que permitem que o usuário faça toda a interface de programação das tarefas de controle e manipulação dos resultados obtidos ao longo das mesmas através do ambiente Matlab-Simulink, de ampla utilização no meio acadêmico. Dessa forma, além de possuir boas garantias de operação em tarefas de controle em tempo real, o kit (hardware+software) dSPACE permite que as atividades relacionadas à programação do sistema e à manipulação dos dados obtidos ao longo do processo de interesse sejam realizadas com relativa simplicidade. Maiores informações a respeito das características técnicas do sistema dSPACE DS – 1104 também são dadas no Anexo IV.