INTEGRAÇÃO ENTRE UFSC, DUT E UMSS NO ENSINO
DE CONTROLE DIGITAL DIRETO
Antonio A. R. Coelho1, Egbert W. Bol2 e Alberto C. A. Santander3
Universidade Federal de Santa Catarina1 Departamento de Automação e Sistemas
C.P. 476 – 88040900 Florianópolis – SC aarc@lcmi.ufsc.br
Delft University of Technology2 Control Laboratory P.O. Box 5031-2600 GA Delft – Netherland el.bol@fcyt.umss.edu.bo
Universidad Mayor de San Simón3 Projecto Elektro
Casilla 800 Cochabamba – Bolivia aarispe@fcyt.umss.edu.bo
Resumo. Recentemente as instituições de ensino superior Delft University of Technology
(DUT) da Holanda e Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) do Brasil finalizaram a
formação de mestres em Engenharia Elétrica na Facultad de Ciencias y Tecnologia da Universidad
Mayor de San Simón (UMSS) da Bolívia. Os objetivos da criação e implantação do Curso de
Mestrado foram: i) dar um maior suporte técnico, teórico e prático aos professores da UMSS; ii)
melhorar a qualificação de engenheiros da região, iii) viabilizar a montagem de um laboratório em
controle digital direto (CDD) para atividades de ensino e pesquisa. Neste sentido, este artigo
aborda e mostra os resultados práticos do curso de CDD na UMSS no que diz respeito às
melhorias já evidenciadas nos laboratórios daquela Universidade. As atividades desenvolvidas
foram: adequação do software e interface aos processos práticos para operacionalização do
laboratório; implementação de diversos experimentos práticos, entre os quais: filtragem digital,
identificação, controle PID, controle clássico e controle avançado. O principal resultado do curso
foi: um laboratório de controle digital em tempo real de sucesso foi desenvolvido e a formação de
um grupo para pesquisa.
1. INTRODUÇÃO
No período de janeiro de 1998 à junho de 2000 foi desenvolvido em Cochabamba/Bolívia, um programa de capacitação profissional denominado Maestría en Control Moderno de Sistemas. O programa de mestrado foi organizado pela UMSS através de um convênio de cooperação acadêmica com a DUT (Holanda) e com a colaboração dos professores do Departamento de Automação e Sistemas da UFSC.
Os principais objetivos do programa foram: i) capacitar os engenheiros dos diferentes ramos profissionais na moderna teoria de controle de sistemas, envolvendo estudos de caso em controle de sistemas não-lineares, controle digital e controle inteligente, assim como robótica e automação industrial; ii) ensinar as metodologias de aplicação prática do controle de sistemas em vários campos da engenharia; iii) desenvolver pesquisas dirigidas por especialistas internacionais e de aplicação concreta nos laboratórios de controle universitários e nas indústrias locais relacionadas com as áreas de eletricidade, eletrônica e outras; iv) formação de um grupo de pesquisadores na área de controle de processos.
Neste artigo aborda-se e mostra-se os resultados teóricos e práticos do curso de Controle Digital Direto aplicado no curso de Mestrado na UMSS para as melhorias operacionais dos laboratórios daquela Universidade. As atividades desenvolvidas foram: adequação do software e interface aos processos práticos para operacionalização do laboratório; implementação de diversos experimentos práticos, entre os quais: filtragem digital, identificação, controle PID, controle clássico e controle avançado. O principal resultado do curso foi: um laboratório de controle digital em tempo real de sucesso foi desenvolvido. Informações adicionais estão disponíveis na página da UMSS [1].
2. CARACTERÍSTICAS DO CURSO DE MESTRADO
Nos dias atuais é inquestionável e imprescindível a necessidade de formação profissional frente aos objetivos da sociedade, da rápida evolução da ciência e tecnologia e, da diversidade do mercado de trabalho.
Com o intuito do aprimoramento de formação de uma educação continuada para os professores da UMSS, professores universitários da região e profissionais da indústria, a Universidad Mayor de San Simón/Bolívia em conjunto com a Delft University of Technology/Holanda, implementaram um curso de mestrado em Engenharia Elétrica em Cochabamba/Bolívia denominado Proyecto Elektro. O objetivo do mestrado era proporcionar uma formação geral na área de Automação e Sistemas a partir de um conjunto de disciplinas gerais (num total de 24 créditos) a serem cursadas visando aprofundar a formação de engenheiros de controle e automação e, profissionais em áreas correlatas.
As disciplinas básicas do curso de mestrado foram ministradas por professores da DUT, isto é, Sistemas Lineares, Sistemas Não-Lineares e Instrumentação. Coube a UFSC as disciplinas Robótica, Controle Digital Direto, Inteligência Artificial, Redes para Automação e Sistemas a Eventos Discretos. A UMSS ministrou a disciplina Matemática Aplicada em Controle.
As disciplinas foram implementadas no período de férias, janeiro e julho, tentando compartilhar duas disciplinas por período, com a conclusão das disciplinas em dois anos de curso. A perspectiva de elaboração e conclusão da dissertação de mestrado foi de aproximadamente 9 meses. O curso de mestrado teve aproximadamente quarenta alunos matriculados, as disciplinas eram ministradas em 15 dias com duas horas nos períodos da manhã e tarde e, acompanhada de avaliações escritas e práticas.
3. DISCIPLINA DE CONTROLE DIGITAL DIRETO
A disciplina Controle Digital Direto está direcionada aos estudantes de pós-graduação do Curso de Engenharia, que atuam na área de Controle de Processos. O objetivo é transmitir aos participantes os conceitos fundamentais necessários a uma compreensão dos problemas e das metodologias utilizadas em Controle de Processos por Computador em Tempo Real, motivando-os a um aprofundamento posterior nesta área.
3.1. Ementa Téorica
Capítulo 1 Introdução ao Controle Digital: A Idéia Básica de Sistemas de Controle; O Computador como um Elemento de Controle; Sistemas de Controle Digital em Malha Aberta; Porque Controle Digital em Lugar do Controle Analógico?; Conversores de Medidas; O Estado da Tecnologia dos Microprocessadores; Exemplo de um Controlador Térmico Baseado em Microprocessador.
Capítulo 2 Equações a Diferenças Lineares e Transformada-z: Equações a Diferenças; Transformada-z de Seqüências; Teoremas Associados com a Transformada-z; Transformada-z Inversa; Método da Expansão em Frações Parciais; Solução de Equações a Diferenças com a Transformada-z; Resposta Impulsiva e Função de Transferência no Domínio-z; Relação entre a Localização dos Pólos no Plano-z e a Natureza da Seqüência Temporal; Resposta em Freqüência de Sistemas Discretos; Relação entre os Pólos nos Domínios-z e -s de Funções Amostradas; Teorema da Convolução Discreta; Teorema do Valor Final.
Capítulo 3 Amostragem e Filtragem de Medidas Analógicas: Amostragem e Reconstrução do Sinal; Seleção do Período de Amostragem; Processamento de Sinais e Filtragem de Medidas; Comparação de Filtros Digitais e Analógicos; Efeito da Seleção do Filtro no Desempenho do Sistema de Controle.
Capítulo 4 Análise de Sistemas de Controle Digital: Análise de Diagrama de Blocos em Malha Aberta; Desenvolvimento de Funções de Transferência em Malha Fechada; Estabilidade de Sistemas de Controle Digital.
Capítulo 5 Técnicas Clássicas de Projeto de Sistemas de Controle Digital: Algoritmos de Controle PID Direto; Procedimento de Sintonia de Ziegler/Nichols para o Controle PID; Métodos de Projeto Direto: Alocação de Pólos, Tempo Mínimo, Dahlin, Vogel.
Capítulo 6 Técnicas Avançadas de Projeto de Sistemas de Controle Digital: Controle de Variância Mínima Generalizada; Controle baseado em Índice Quadrático; Controle IMC.
3.2. Ementa Prática
Experiência 1 Filtragem digital : Os efeitos do ruído podem ser minimizados pela implementação de filtros exponenciais simples e duplos, e filtros do tipo média móvel e noise-spike. A seleção do filtro e aspectos de ajuste de parâmetros sobre o desempenho do sistema de controle são considerados.
Experiência 2 Identificação e características do processo : Para o projeto de controladores digitais é necessário o conhecimento a priori do modelo matemático da planta. Com o auxílio do software, modelos discretos de primeira e segunda ordem são obtidos. Adicionalmente, as características do processo tais como estável/instável, fase mínima/não-mínima, linear/não-linear são avaliadas.
Experiência 3 Projeto do controlador PI : Um dos procedimentos de projeto de controladores digitais é primeiro projetar um controlador contínuo e então converter o controlador para a forma discreta pela concepção de equivalência direta. Selecionando-se o projeto a partir das técnicas lugar das raízes, alocação de pólos ou Ziegler/Nichols é possível avaliar como a dinâmica de malha fechada pode ser modificada pela seleção dos ganhos proporcional e integral.
Experiência 4 Projeto de controle direto : Na prática, muitas vezes, é desejável modificar as concepções de projeto de controle para satisfazer o desempenho imposto pelo usuário. Assim, metodologias de projeto para a síntese direta de controladores são apresentadas em termos dos algoritmos de controle dead-beat, Dahlin, Vogel-Edgar.
Experiência 5 Projeto de controle avançado : Implementação de algoritmos de controle avançados (alocação de pólos, variância mínima, IMC) são utilizadas para melhorar o desempenho do processo e mostrar aos estudantes a implementação de estratégias de controle avançadas baseado em recentes desenvolvimentos na área de controle de processos.
Após cada atividade de laboratório os estudantes devem escrever um relatório apresentando os mais importantes aspectos da aula, seguindo os padrões de relatório de projeto escrito como um consultor de uma companhia, onde deve-se incluir: resumo, descrição das medidas, dados medidos e a descrição do sistema que foi utilizado, resultados, interpretação dos resultados e, conclusões.
3.3. Atividade Complementar
Simulação: Avaliação de sistemas lineares contínuos e discretos utilizando os seguintes pacotes computacionais: Matlab, Simulink e WinFact.
3.4. Bibliografia Básica
[1] R. Isermann, “Digital Control Systems”, 1981. [2] K. Ogata, “Discrete-Time Control Systems”, 1987.
[3] D. E. Seborg & T. F. Edgar, “Process Dynamics and Control”, 1989.
[4] K. J. Åström & B. Wittenmark, “Computer Controlled Systems: Theory and Design”, 1990. [5] C. T. Chen, “Analog and Digital Control System Design”, 1993.
[6] R. G. Jacquot, “Modern Digital Control Systems”, 1995.
4. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
O laboratório de controle integra ferramentas digitais e analógicas e oferece possibilidades educacionais em muitas áreas ligadas a software e hardware, tais como modelagem, instrumentação, aquisição de dados e controle digital. Além disso, os experimentos possibilitam aos estudantes a oportunidade de validação experimental da teoria de controle digital preparando-os, também, para as atividades do mundo real. Os sistemas de controle propostos são úteis não somente para estudantes universitários como para cursos de treinamento de engenheiros de controle da indústria.
As atividades práticas apresentadas neste artigo lidam com controle digital aplicado ao sistema de temperatura encontrado na UMSS. Adicionalmente, o processo é equipado com uma chave que permite a aplicação de perturbações de carga para as experiências de regulação dos controladores digitais. Com o objetivo de garantir um desempenho satisfatório nas implementações em tempo real dos controladores digitais é necessário identificar um modelo matemático adequado para uma aplicação particular. A partir das medições da temperatura o modelo estimado pelo software WinFact módulo IDA é mostrado na Fig. 1.
Figura 1. Identificação do processo via IDA.
A seguir, os resultados experimentais do controle de variância mínima generalizada (GMV) são apresentados. O período de amostragem utilizado foi de 100 mseg. No experimento servo, o processo foi submetido à variação de referência para avaliar a capacidade de seguimento. Os sinais de saída, referência e entrada da planta via o controlador GMV são mostrados na Fig. 2. Os experimentos mostram a aplicabilidade e a possibilidade de avaliação de diferentes controladores avançados. A aplicação do processo de temperatura, como um experimento de laboratório, é atrativa para aplicar e testar na prática os aspectos teóricos de vários controladores digitais. Adicionalmente, pode-se observar que uma exaustiva busca por tentativa e erro dos parâmetros de controle foi necessária. Portanto, utilizando os recursos do ambiente WinFact, os estudantes puderam, não somente adquirir um adequado sentimento dos problemas de controle e desempenho dinâmico mas, também entender como os parâmetros de projeto de cada controlador podem modificar as características de malha fechada dos sistemas controlados.
Figura 2. Implementação do controlador GMV via WinFact.
Estes experimentos foram conduzidos durante o curso de quinze dias. Os alunos foram divididos em grupos de até três elementos e as aulas duram até duas horas. As similaridades de processos práticos utilizados por estudantes da Universidade Federal de Santa Catarina/Brasil e Universidad Mayor de San Simón/Bolívia e, as várias disciplinas, no que diz respeito a área de controle de processos, de cada universidade/país são ilustrados na Tab. 1.
Tabela 1: Processos e cursos de duas universidades latinas. Processo Curso Brasil Nível; Pêndulo; Temperatura; Posição; Velocidade; Fan-and-Plate; Túnel de Vento; Túnel de Aquecimento
Sistemas Lineares, Não– Lineares e Realimentados;
Identificação; Instrumentação; Robótica; Controle Digital Bolívia Temperatura; Nível; Taco-Gerador; Velocidade Sistemas Lineares e Não-Lineares; Robótica; Controle Digital; Instrumentação
Portanto, as aulas práticas de laboratório possibilitam aos professores e estudantes imitar situações reais de processos industriais estabelecendo importantes conexões no reconhecimento das características integradas de diferentes experimentos em Controle Digital.
5. CONCLUSÃO
Este artigo procurou relatar alguns aspectos da implantação e realização de um curso de mestrado em Cochabamba/Bolívia denominado Maestría en Control Moderno de Sistemas Proyecto Elektro. Esta atividade de ensino para a formação pedagógica e de atualização de engenheiros em Automação Industrial contou com a participação de professores das universidades da Bolívia, Brasil e Holanda; UMSS, UFSC e DUT, respectivamente.
Ênfase foi dada à implementação da disciplina Controle Digital Direto, onde os aspectos didáticos foram relatados. Além do aprimoramento em novas tecnologias de controle digital apresentadas na disciplina, viabilizou-se a instalação do laboratório de controle para ensino e pesquisa. As atividades desenvolvidas foram: adequação do software e interface aos processos práticos para operacionalização do laboratório; implementação de diversos experimentos práticos, entre os quais: filtragem digital, identificação, controle PID, controle clássico e controle avançado. Os autores acreditam que este conjunto de aulas de laboratório foi uma das mais adequadas maneiras de ensinar, aos estudantes e engenheiros, os conceitos básicos no projeto de controle digital. A facilidade de comunicação do WinFact com os conversores A/D e D/A e processos, sem a necessidade da habilidade de qualquer programação extra a programação era visual deu um suporte de motivação e interesse no curso. As implementações em tempo real pavimentaram, assim, um vazio existente entre os conceitos teóricos/abstratos de controle digital direto e as aplicações práticas da UMSS.
6. REFERÊNCIAS
[1] Página da Universidad Mayor de San Simón http://www.umss.edu.bo/~postgrad/pasado/com.htm.
[2] A. A. R. COELHO; A. H. BRUCIAPAGLIA; H. SIMAS; F. J. GOMES “Low Cost Laboratory Equipment for Analysis and Design of Dynamic Systems,” 4th Symposium on Advances in Control Education, Istanbul, Turkey, pp. 125-130, 1997.
[3] C. C. HANG; T. H. LEE; W. K. HO “Adaptive Control”, ISA, 1993.
[4] D. S. BERNSTEIN “Enhancing Undergraduate Control Education,” IEEE Control Systems, pp. 40-43, 1999. [5] D.S. BERNSTEIN “Control Experiments and What I Learned From Them: A Personal Journey,”, IEEE
Control Systems, pp. 81-87, 1998.
[6] E. D. LYON; P. H. MECKL; O. D. I. NWOKAH “Senior Control Systems Laboratory at Pardue University,” IEEE Trans. on Education, pp. 71-76; 1994.
[7] J. G. BALCHEN; M. HANDLYKKEN; A. TYSSO “The Need for Better Laboratory Experiments in Control Engineering Education,” 8th World Congress of IFAC. Kyoto, Japan, 1981.
[8] K. J. ÅSTRÖM; B. WITTENMARK “Computer Controlled Systems: Theory and Design”, Prentice Hall, 1984.
[9] K. OGATA “Modern Control Engineering,” Prentice-Hall International, Inc., New Jersey, 1990.
[10] N.A. KHEIR; K.J. ÅSTRÖM; D. AUSLANDER; K.C. CHEOK; G.F. FRANKLIN; M. MASTEN; M. RABINS “Control System Engineering Education,” Automatica, pp. 147-166, 1996.
[11] P. E. WELLSTEAD “Teaching Control with Laboratory Scale Models,” IEEE Trans. on Education, pp. 285-290, 1990.
[12] P. V. A. FERREIRA; R. S. MENDES; C. A. R. FILHO; R. MALTIONE “A First Laboratory Course in Analysis and Design of Dynamic Systems,” Workshop of Control Education and Technology Transfer Issues, Curitiba, Brazil, pp. 61-66, 1995.
[13] P. E. WELLSTEAD; M. B. ZARROP “Self-Tuning Systems: Control and Signal Processing”, John Wiley & Sons Ltd, 1991.
