UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA
Lucas Roman Pamboukian
Desenvolvimento de um controlador de temperatura PID Microcontrolado com gradador de tensão proporcional para produção de cerveja artesanal
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
CAMPO MOURÃO 2018
Lucas Roman Pamboukian
Desenvolvimento de um controlador de temperatura PID Microcontrolado com gradador de tensão proporcional para produção de cerveja artesanal
Trabalho de conclusão de curso, apresentado à disciplina de TCC2 , do curso Superior de Engenharia Eletrônica do Departamento Acadêmico de Eletrônica - DAELN - da Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro em Eletrônica.
Orientador: Prof. Dr. Gilson Junior Schiavon
CAMPO MOURÃO 2018
TERMO DE APROVAÇÃO
DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO INTITULADO
Desenvolvimento de um controlador de temperatura PID Microcontrolado comgradador de tensão proporcional para produção de cerveja artesanal
por
Lucas Roman Pamboukian
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado no dia 20 de Novembro de 2018 ao Curso Superior de Engenharia Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Campus Campo Mourão. O Candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.
_______________________________________________ Prof. Dr. Roberto Ribeiro Neli (UTFPR)
_______________________________________________ Prof. Dr. Eduardo G. Bertogna (UTFPR)
_______________________________________________ Prof. Prof. Dr. Gilson Junior Schiavon (UTFPR)
Orientador
RESUMO
. A cerveja consiste em uma bebida alcoólica gerada através da fermentação e o processamento dos adjuntos cervejeiros. A fermentação só ocorrerá se previamente houver a ação de enzimas atuando na quebra de açúcares complexos. Para que seja possível a ativação delas se faz necessário controlar a temperatura do processo de brassagem, e assim evitar a desnaturalização prévia destas substancias orgânicas.
Para que seja possível controlar tal etapa, foi projetado um controlador proporcional, integral e derivativo (PID) digital, implementado em um Microcontrolador da família Arm® Cortex®-M, integrado com um conversor C.A - C.A conhecido como Gradador de Tensão para variar a potência entregue à carga resistiva de 5kw blindada em inox 304, responsável por aquecer o mosto cervejeiro.
Com este trabalho foi possível discutir e comprovar diferentes métodos de implementação do controlador, ao final se obteve um equipamento capaz de realizar o controle de temperatura do processo de brassagem.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Oscilação da temperatura na lógica on/off. ... 9
Figura 2 - Bloco de sistema ... 16
Figura 3 - Planta de controle de malha fechada. ... 17
Figura 4 - Planta de controle com controlador PID. ... 18
Figura 5 - Resposta do sistema em aspecto de "S" ... 19
Figura 6 - Tensão e Corrente no tiristor. ... 21
Figura 7 - Placa de desenvolvimento "BluePill". ... 22
Figura 8 - STLinkV2 Fonte: STMicroeletronics. ... 23
Figura 9 - Fonte de Alimentação dos circuitos ... 24
Figura 10 - Ambiente de configuração Fonte: Autoria própria. ... 25
Figura 11 - Folha de dados do dispositivo BTA40. Fonte: STMicroeletronics ... 28
Figura 12 - Circuito de "zero crossing" Fonte: Autoria própria. ... 29
Figura 13 - Sinal aplicado nos terminais 1 e 2. Fonte: Autoria própria. ... 29
Figura 14 - Pulso de zero crossing Fonte: Autoria própria. ... 30
Figura 15 – Circuito de Potencia. Fonte: Autoria própria. ... 30
Figura 16 - Gradador em 50% Fonte: Autoria própria. ... 31
Figura 17 - Resistencia e fundo falso instalados Fonte: Autoria própria. ... 33
Figura 18 - Dreno inferior Fonte: Autoria própria. ... 33
Figura 19 - Resposta do sistema em malha aberta. Fonte: Autoria própria. ... 34
Figura 20 - Resposta do sistema em malha fechada com coeficientes ajustados. ... 35
LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E ACRÔNIMOS
PID Proporcional Integrativo Derivativo
Kp Coeficiente de ganho do controlador proporcional Ki Coeficiente de ganho do controlador integrativo Kd Coeficiente de ganho do controlador derivativo X(t) Entrada em função do tempo
H(t) Função de transferência no tempo Y(t) Saída em função do tempo
X(s) Entrada no domínio de Laplace
H(s) Função de transferência no domínio de Laplace Y(s) Saída no domínio de Laplace
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 8 1.1OBJETIVOS ... 10 1.1.1 OBJETIVO GERAL ... 10 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 10 1.2JUSTIFICATIVA ... 10 1.3METODOLOGIA ... 11 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 12 2.1ACERVEJA ... 12
2.2PROCESSODEFABRICAÇÃODACERVEJA ... 13
2.2.1 MALTEAÇÃO ... 13
2.2.2 MOSTURAÇÃO ... 13
2.2.3 FERMENTAÇÃO ... 14
2.2.4 PROCESSAMENTO FINAL ... 14
2.3TEMPERATURANAMOSTURAÇÃODACERVEJA... 15
2.4FUNÇÃODETRANSFERÊNCIA ... 16
2.5CONTROLEDETEMPERATURAPID ... 17
2.6 MÉTODOZIEGLER-NICHOLSDEMALHAABERTA ... 19
2.7GAINSCHEDULING ... 20
2.8GRADADORDETENSÃO ... 21
3 DESENVOLVIMENTO ... 22
3.1 ARM®32-BIT CORTEX®-M3-STM32F103C8 ... 22
3.2 ALIMENTAÇÃODOSCIRCUITOS ... 24
3.3OSTM32CUBEMX ... 25
3.4 DESENVOLVIMENTODOSOFTWARE ... 26
3.5ARM_PID_F32 ... 27
3.6CIRCUITOGRADADORDETENSÃO... 28
3.7DESENVOLVIMENTODAPLANTACONTROLADA ... 32
3.8RESULTADOSPRÁTICOS ... 34
4 CONCLUSÃO ... 37
4.1TRABALHOSFUTUROS ... 37
BIBLIOGRAFIA ... 38
1 INTRODUÇÃO
A engenharia trata de aplicar os conhecimentos científicos para o benefício da humanidade. O engenheiro de sistemas de controle aplica seus conhecimentos para realizar o controle dos sistemas a sua volta, objetivando contribuir com a sociedade fornecendo produtos úteis e econômicos (DORF; BISHOP).
Sendo a área de controle, responsável por garantir a estabilidade de um processo, ou seja, a aplicação de um conjunto de técnicas matemáticas que tem como objetivo modificar o comportamento de um determinado processo tornando-o mais confiável e consequentemente sua operação mais econômica.
Segundo (DESBOROUGH; NORDH; MILLER, 2001), no começo do século apenas 33% das malhas de controle industriais operam de maneira satisfatória no modo automático, 33% se encontram em modo manual e 33% deterioram o desempenho do sistema, em vez de aprimorá-lo.
Os sistemas de controle podem ser divididos em duas categorias, os de malha aberta e malha fechada (IOANNIDIS, 2014). A diferença entre os sistemas está na realimentação que o sistema de malha aberta não possui, ou seja, o sistema de malha fechada possui a funcionalidade de analisar a saída do sistema e determinar a ação necessária para que o sistema continue ou comece a funcionar adequadamente.
Normalmente esta estabilidade é obtida com sistemas de malha fechada, onde é feito um ciclo de leitura da variável controlada (no caso a temperatura) e ajustes para manter o processo nos parâmetros determinados.
Segundo (IOANNIDIS, 2014) o PID é metodologia mais utilizada quando falamos de algoritmos de controle de malha fechada de alta precisão. Ele é constituído pela junção dos controladores Proporcional, Integrativo e o Derivativo.
Atualmente no mercado existem muitos produtos capazes de realizar o controle de temperatura através do PID, mas a maioria deles baseia-se em lógicas on/off, que consistem na ativação ou não da carga responsável pelo aquecimento, causando oscilações na temperatura como podemos ver na figura 1.
Figura 1 - Oscilação da temperatura na lógica on/off. Fonte: Autoria própria.
Cerveja é a bebida obtida pela fermentação alcoólica do mosto cervejeiro oriundo do malte de cevada e água potável, por ação da levedura, com adição de lúpulo (REBELLO, 2009).
Uma das etapas mais importantes do processo fabricação é chamada de mosturação, responsável pela criação do mosto cervejeiro, a qual consiste na extração e conversão dos açucares complexos em cadeias menores possibilitando assim que a fermentação aconteça, possibilitando a formação de álcool e gás carbônico.
Nessa etapa é necessário realizar um conjunto de rampas de temperatura para que seja possível a ativação e posteriormente a desnaturação de diversas enzimas responsáveis pela conversão. A menor variação da temperatura pode acarretar uma desnaturação previa das enzimas causando efeitos indesejáveis ao produto final tais como: baixo teor alcoólico e o surgimento de compostos não desejáveis.
Neste contexto é evidente que uma abordagem on/off não é o ideal para esta aplicação por propiciar oscilações e overshoot indesejáveis na temperatura. Portanto a melhor abordagem para este processo é o controle proporcional de potência, o qual consiste na redução ou aumento da potência entregue para a carga, garantindo assim uma melhor estabilidade para o sistema e por consequência melhorando processo de produção de cerveja.
1.1 OBJETIVOS
1.1.1 OBJETIVO GERAL
O objetivo deste trabalho é desenvolver um equipamento capaz de realizar o controle de temperatura através do algoritmo PID com controle proporcional de potência através de gradador de tensão, e aplicar no processo de mosturação.
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estudar os temas: Fabricação de Cerveja artesanal, métodos matemáticos, de controle e eletrônica de potência;
Projetar e implementar placa de potência e módulos necessários; Desenvolver algoritmo de controle;
Projetar e implementar planta a ser controlada;
Validar o funcionamento do equipamento de controle em planta real.
1.2 JUSTIFICATIVA
O conhecimento obtido na academia deve ser disseminado à população de forma simples e que possibilite a resolução de problemas relacionados ao cotidiano e novas formas de empreendedorismo. Para micro e pequenos produtores de cerveja, a falta de controle nos processo pode inviabilizar o desenvolvimento do negócio.
É importante o desenvolvimento de métodos que além de propiciar a eficácia do processo sejam acessíveis, baratos e de fácil utilização. Desta forma este trabalho visa implementar um equipamento que proporcione altos ganhos para o processo e que ofereça baixo custo.
1.3 METODOLOGIA
O projeto será elaborado utilizando uma placa de desenvolvimento Microcontrolado, onde serão implementadas todas as malhas de controle e manipulação de dados.
Para que seja possível controlar o ângulo de defasagem e o acionamento dos tiristores uma placa de potência será desenvolvida utilizando optoacopladores moc3020, 4n25 e o Triac bta40600b como componentes principais.
Todo equipamento necessário para realizar a etapa de brassagem será construído em aço Inox 304, para diminuir os riscos de contaminação.
Serão realizados ensaios para comprovar o funcionamento e a estabilidade do sistema. Todos os códigos, bibliotecas e arquivos estão disponíveis em repositório online com link de acesso disponibilizado no final do trabalho.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Nessa seção o trabalho irá apresentar os métodos que serão combinados para o desenvolvimento do projeto e também deve conter o embasamento teórico necessário para que seja possível a implementação posterior.
2.1 A CERVEJA
Nesta subsessão serão passadas algumas informações para que seja possível compreender a relevância do tema, mas não tem o intuito de se aprofundar nas operações unitárias.
Cerveja é a bebida obtida pela fermentação alcoólica do mosto cervejeiro oriundo do malte de cevada e água potável, por ação da levedura, com adição de lúpulo. Atualmente, a Europa é a maior produtora de cerveja, seguida pelos Estados Unidos, Japão e Brasil, sendo a Europa também a maior consumidora, disparadamente, quando comparada aos demais países, cujo consumo ainda é considerado baixo (REBELLO, 2009).
No Brasil, a participação do mercado das pequenas empresas do setor aumentou de 1,5% em 1995 para 8,9% em 2005. (Fonte: Sindicerv).
Microcervejeiros, ou cervejeiros artesanais, são todos aqueles produtores que normalmente produzem pequenas quantidades de cerveja e controlam, manualmente ou não, ativamente todos os estágios do processo de fabricação (PALMER, 2006).
Quanto à classificação, com relação ao teor de extrato original, têm-se: forte (> 14º P); extra (> 12,5º P); comum (>11º P) e fraca ou leve (> 7º P). Com relação à cor, classificam-se em claras e escuras. Quanto ao tipo de fermentação em alta e baixa e quanto ao teor alcoólico em: alto (> 7%); médio (> 4%); baixo (>2%) e sem álcool (até 0,5 %). Quanto à denominação, têm-se : Pilsen (mais comum, de baixa fermentação, Bock (mais encorpada); Weiss; Munchen dentre outras (REBELLO, 2009).
2.2 PROCESSO DE FABRICAÇÃO DA CERVEJA
Como Rebello descreveu, existem inúmeras classificações nos tipos de produtos, eles são obtidos pela escolha dos ingredientes e variações na forma de elaboração, mas o processo é composto basicamente por quatro etapas muito bem definidas:
2.2.1 MALTEAÇÃO
Consiste na germinação artificial do grão de cevada, sob condições de temperatura e umidade controladas em um curto período de tempo. Essa germinação controlada tem como objetivo a ativação e a produção de enzimas que agirão nas substâncias de reserva do grão, transformando-as em compostos de menor massa molecular que irão possibilitar a ativação dos sistemas biológicos do processo de fabricação de cerveja (PORTO, 2011). É comum que micro cervejarias e produtores caseiros não realizem essa primeira etapa, pois se vende a cevada ou outro grão já maltados.
2.2.2 MOSTURAÇÃO
Após a moagem do malte, o grão triturado é transferido a um tanque de mosturação. Na planta industrial, o material que compõe esse tanque geralmente é o cobre ou o aço inoxidável (EVANGELISTA, 2012). Também denominado de brassagem, a mosturação é o processo onde ocorre a extração e hidrólise dos componentes da cevada maltada, tornando os açucares mais susceptíveis a fermentação, seguido de uma separação dos componentes insolúveis através da filtragem e posterior fervura com a adição de lúpulo.
2.2.3 FERMENTAÇÃO
Segundo (MORADO, 2009) a fermentação consiste na transformação de açúcares fermentáveis do mosto em álcool, gás carbônico e calor, através de uma sequência de reações químicas dentro das células das leveduras.
Nesta etapa do processo o mosto é guardado em tonéis ou tanques de fermentação e são mantidos a temperatura e tempo controlados respeitando as características da receita.
A maturação ocorre logo após a retirada das leveduras, normalmente a temperaturas abaixo das de fermentação. Nesta fase, a maior parte de açúcares já foi metabolizada e transformada em álcool etílico, dióxido de carbono, glicerol, ácido acético, álcoois superiores e ésteres.
Neste período, acontece uma fermentação complementar lenta na cerveja verde, modificando aroma e sabor, proporcionando a clarificação por precipitação das proteínas, leveduras e sólidos solúveis, transformando-a em cerveja madura (MORADO, 2009).
2.2.4 PROCESSAMENTO FINAL
Antes do envase final, a cerveja deve ser filtrada com o objetivo de eliminar partículas menores que ainda restaram na cerveja, deixando a bebida transparente e cristalina.
A etapa de envase é considerada um momento crítico para o futuro da cerveja, pois ela deixa o recipiente, do ambiente controlado que foi processado, e é exposto ao ambiente externo. É de fundamental importância a assepsia das instalações e das garrafas para assegurar a qualidade e estabilidade da cerveja.
Para aumentar a validade do produto engarrafado pode ser aplicado o processo pasteurização que baseia-se em aquecer a bebida já engarrafada até aproximadamente 60º C, e em seguida resfriar a 4º C, eliminando microrganismos a que poderiam alterar o seu sabor.
2.3 TEMPERATURA NA MOSTURAÇÃO DA CERVEJA
A cerveja tem em sua composição 3,3 a 3,4% de carboidratos, sendo a maioria dextrinas (75-80%), seguido dos monossacarídeos e oligossacarídeos (20-30%) e, ainda, 5- 8% de pentosanas (Arfelli e Sartini, 2014). Estes carboidratos são resultado da inatividade das leveduras de fermentação sobre açúcares de cadeias longas, como as dextrinas, que podem estar presentes no mosto fermentativo em até 20% do total de açúcares. Como as dextrinas são açúcares não-fermentáveis, forma-se, então, o açúcar residual encontrado na cerveja (Grassi et al., 2014b).
Dependendo do estilo de cerveja que se deseja produzir deve-se obter um mosto fermentativo com maior ou menor teor de dextrinas. A temperatura atua diretamente na concentração destes açúcares, agindo na atividade enzimática, sendo assim, um controle na programação da temperatura de mosturação é crucial sobre a qualidade da bebida, além de assegurar a atividade enzimática do meio (GEBREMARIAM; ZARNKOW; BECKER, 2013).
Na mosturação observa-se a ação das enzimas convertendo o amido do cereal em açúcares fermentáveis. A temperatura de trabalho afeta diretamente a atividade das enzimas α-amilase e β-amilase que são um fator importante para a determinação do tipo de cerveja que se deseja produzir. Segundo (LAMSAL; WANG; JOHNSON, 2011).
A α-amilase tem sua atividade acentuada em temperaturas mais elevadas, desta forma espera-se obter um mosto fermentativo mais rico em dextrinas (açúcares de cadeia longa). Por outro lado, em temperaturas mais brandas, a atividade da β-amilase se sobressai, formando açúcares de cadeia curta como a glicose, a frutose e a maltose.
Com isso podemos dizer que o processo de mosturação consiste em um ciclo de rampas de temperatura para ativação e desnaturação das enzimas responsáveis em sintetizar cadeias complexas de açucares possibilitando assim fermentação.
2.4 FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA
Para (BELL; MORREY; PUGH, 1992) a divisão de um determinado sistema em módulos tem como objetivo diminuir a complexidade do problema, dividindo-o em subproblemas mais simples, com maior facilidade de detectar e resolvê-los, pois os módulos são, em princípio, razoavelmente independentes.
Se abstrairmos estes conceitos para a engenharia podemos sintetizar o comportamento de um equipamento por um bloco funcional com entra e saída sendo a relação destes sinais chamada de função de transferência representado na figura 2.
Figura 2 - Bloco de sistema Fonte: Autoria própria.
Matematicamente, se dividirmos a saída do sistema y(t) pela entrada x(t) obteremos h(t), o qual consiste da representação matemática do sistema, chamada função de transferência.
Para (IOANNIDIS, 2014) a identificação da função de transferência é uma tarefa árdua, que pode ser feita por duas abordagens bem diferentes. O primeiro método consiste no desenvolvimento de equações físicas e matemáticas sobre a planta em questão no domínio do tempo e depois aplicar a transformada de Laplace para transformar seu domínio.
O outro método, consiste em realizar ensaios na planta em questão onde serão providenciados entradas no sistema e através da saída do próprio e calculado uma estimativa da função de transferência. Este método tem a grande vantagem de não necessitar de informações do comportamento do sistema, pois ele será obtido pelo ensaio, tornando o sistema imune a qualquer variação na planta de controle, gerando uma ferramenta genérica para o controle de qualquer tipo de sistema estável.
Já (ÅSTRÖM; WITTENMARK, 2013) acredita que o gain scheduling é uma técnica de ótimo custo-beneficio para plantas com comportamento conhecido. Tal
técnica consiste em criar etapas de operação com coeficientes distintos, fazendo com que o controlador tenha comportamentos mais agressivos quando o sinal de erro for relativamente grande e mais brando quando o erro tender a zero. Ganhando principalmente em simplicidade de implementação em comparação com algoritmos mais complexos como o de estimação da função de transferência.
2.5 CONTROLE DE TEMPERATURA PID
No meio industrial a qualidade de um processo pode ser definida a partir do controle de determinadas variáveis dentro de seus escopos. Como apresentado anteriormente a temperatura é uma grandeza de suma importância para a planta em questão, pois ela influencia diretamente no resultado do processo.
Segundo (IOANNIDIS, 2014) diferença entre a saída desejada e a saída real no momento atual é chamada de erro, o erro é o conceito mais importante para o controlador, pois com esse sinal que será possível determinar as ações do controlador.
Os sistemas de malha aberta por não possuírem essa realimentação estão muito mais suscetíveis a ruídos, distúrbios e ressonâncias, na figura 3 podemos ver o diagrama do sistema de malha fechada:
Figura 3 - Planta de controle de malha fechada. Fonte: Autoria própria.
O PID consiste na união dos controladores proporcional, integrativo e o derivativo, que se bem configurados são responsáveis por acelerar a resposta do sistema, reduzir o erro em regime permanente e diminuir o overshoot respectivamente. A figura 4 ilustra o funcionamento do controlador PID.
Figura 4 - Planta de controle com controlador PID. Fonte: (IOANNIDIS, 2014)
Como comentado anteriormente a grande dificuldade da implementação e manutenção de um controlador PID está na determinação dos coeficientes Kp,Ki e Kd que são responsáveis por dimensionar as ações dos controladores proporcional, integrativo e o derivativo respectivamente. Sendo a saída de controle do sistema descrita na equação 1:
𝑢(𝑠) = 𝐾𝑝 +Ki
s + 𝐾𝑑 ∗ 𝑠 𝑒𝑞. 1
Se trabalharmos esta equação algebricamente podemos chegar em um modelo onde os polos e zeros ficam evidentes.
𝑎 = 𝑒 𝑏 = eq. 2 e 3 𝑢(𝑠) =Kd ∗ s + 𝐾𝑝 ∗ s + Ki s = Kd(s + a ∗ s + b) s = Kd(s + Z1)(𝑠 + 𝑍2) s 𝑒𝑞. 4
Analisando a resposta da planta e conhecendo o comportamento dos controladores podemos supor valores para os coeficientes e os modificando para obter a resposta desejada.
Esta tarefa pode parecer trivial mas na pratica é difícil de se obter os resultados satisfatórios. Analisando a figura 3 podemos perceber que o bloco do processo está em serie com o do controlador tornando o sinal y(s) dependente do comportamento da planta e logico do controlador. Assim, para que seja possível obter coeficientes de ajuste do controlador é necessário estimar a função de transferência da planta ou então aplicar outra abordagem para que a saída do sistema convirja.
2.6 MÉTODO ZIEGLER-NICHOLS DE MALHA ABERTA
Este método consiste em regras para sintonia de controladores PID baseadas na resposta experimental do sistema em malha aberta, baseado no valor de 𝐾𝑝 que resulta em estabilidade marginal. As regras de Ziegler-Nichols, as quais são brevemente apresentadas a seguir, são úteis quando os modelos matemáticos das plantas são desconhecidos. Tais regras sugestionam um conjunto de valores de 𝐾𝑝 , K𝑖 e k𝑑 que permitiram uma operação estável do sistema (OGATA, 2003).
O método obtém experimentalmente a resposta da planta a uma entrada em degrau. Se a planta não possui integradores nem pólos complexos conjugados dominantes, então essa curva de resposta ao degrau unitário pode ter o aspecto de um S, demonstrado na figura 5. Essa curva de resposta ao degrau pode ser gerada experimentalmente ou a partir de uma simulação dinâmica da planta.
Figura 5 - Resposta do sistema em aspecto de "S" Fonte: (OGATA, 2003)
A resposta com aspecto S pode ser caracterizada através das constantes atraso(L) e tempo(T). O atraso e a constante de tempo são determinados desenhando-se uma linha tangente no ponto de inflexão da curva com formato de S e determinando-se a interseção da linha tangente com o eixo dos tempos e linha c (t) = K, como mostrado na figura 5. Através dessas constantes de tempo podemos aplicar na tabela 1 e assim conseguir obter os parâmetros do controlador.
Tipo do controlador Kp Ki Kd
P T/L ∞ 0
PI 0.9 T/L L / 0.3 0
PID 1.2 T/L 2L 0.5 L
Tabela 1 - Tabela referencia do método
2.7 GAIN SCHEDULING
Segundo (ÅSTRÖM; WITTENMARK, 2013) o Gain Scheduling é a técnica de autotunning mais comum, pois com um simples conhecimento do comportamento da planta, e das características desejadas é possível realizar implementação de um algoritmo que ajuste os paramentos do controlador, a ponto de se obter o comportamento desejado. Na tabela 2 podemos ver a influencia na mudança dos coeficientes do controlador, tais informações devem ser levadas em consideração para a implementação do método.
Parâmetro Rise time Overshoot Settling time
Kp Diminui Aumenta Pouca influência
Ki Diminui Aumenta Aumenta
Kd Pouca influência Diminui Diminui
Tabela 2 - Influencia dos parâmetros do controlador Fonte: (HEONG; CHONG; LI, 2005).
2.8 GRADADOR DE TENSÃO
O gradador de tensão consiste em um conversor CA-CA de potência que baseia-se no princípio de se comandar o tiristor em um ângulo de atraso em referência a senoide da rede, causando assim um ajuste no valor da tensão eficaz aplicada a resistência de carga (BARBI, 2006). O tiristor somente entra em condução após se aplicar uma tensão em seu terminal de gatilho, assim, pode-se ajustar o valor da potência na carga, como podemos ver na figura 6.
Figura 6 - Tensão e Corrente no tiristor. Fonte: (IOANNIDIS, 2014)
O dispositivo semicondutor responsável por chavear a carga tem a característica de conduzir quando um sinal de tensão é aplicado no seu terminal de Gate até o momento em que a sua corrente se torne nula, necessitando novamente de um sinal para voltar a conduzir.
3 DESENVOLVIMENTO
Inicialmente o controlador foi projetado para ser implementado utilizando a placa de desenvolvimento RaspBerry PI mas com o intuito de baratear os custos foi optado por um Microcontrolador da Família ARM®32-bit Cortex®-M3 mais acessível para estudantes e tendo em vista a grande quantidade de material e exemplos ofertados pela STMicroelectronics.
3.1 ARM®32-bit Cortex®-M3 - STM32F103C8
O STM32F103C8 consiste de um microcontrolador RISC de 32 bits operando em uma frequência máxima de 72 MHz, com memórias Flash de 128 K bytes e SRAM até 20 K bytes. Com dois ADCs de 12 bits e 7 Timers de 16 bits além de interfaces de comunicação como: I2Cs e SPIs, três USARTs, um USB e um CAN (STMICROELECTRONICS, 2018). Tal processador é comumente encontrado em placas de desenvolvimento de baixo custo devido ser um dos mais simples de sua família. A versão mais famosa é conhecida por “BluePill” na figura 7 podemos ver a placa e algumas de suas funcionalidades.
Figura 7 - Placa de desenvolvimento "BluePill". Fonte: (STM32DUINO, 2018).
O STM32 possui diversos ambientes de desenvolvimento, ele é comumente utilizado no ambiente Arduino IDE por possuir um hardware muito superior e o preço
inferior (2 dólares em novembro de 2018) em comparação aos Arduinos Nanos ou
Unos.
O BluePill possui uma interface USB que pode ser utilizada para programação, para isso é necessário pré-instalar na placa um “Bootloader” que consiste em uma camada de código genérica para qualquer programa, que faz com que seja possível baixar o firmware para placa (STM32DUINO, 2018). Para evitar essa camada de abstração foi utilizada o programador ST-LINKv2 que utiliza a tecnologia JTAG e permite o debug onboard visto na figura 8.
Figura 8 - STLinkV2 Fonte: STMicroeletronics.
Os softwares escolhidos para esse projeto foram a combinação do STM32CubeMX e Keil Microcontroller Development Kit pois permitem um desenvolvimento em baixo nível, mesmo que mais complexo fornecem uma ferramenta mais poderosas de processamento.
Figura 9 - Fonte de Alimentação dos circuitos Fonte: Autoria própria.
3.2 ALIMENTAÇÃO DOS CIRCUITOS
Até este ponto a placa de desenvolvimento tinha sido alimentada pela USB via ST-LINKv2, mas a partir do momento em que se implementou o hardware foi necessário mais potência, para isso essa próxima subseção descreve o desenvolvimento da fonte de alimentação dos circuitos.
Os microcontroladores da família STM32 funcionam a nível de tensão de 3.3 V, e a grande maioria de suas portas são tolerantes a 5 V. A placa de desenvolvimento possui um regulador de tensão em sua entrada Vin, mas não é recomendado consumir mais de 200mA pois o regulador não possui nenhum tipo de dissipador. Como a placa eletrônica onde o conversor esta implementado, o sensor de temperatura e o LCD1602 utilizam mais de 200mA foi instalado um regulador externo com o devido dissipador de calor.
Inicialmente pensou-se em implementar um filtro passa baixas ativo no sinal de interrupção para garantir o funcionamento do sensor de zerro-crossing, por isso foi realizada a alimentação simétrica para amplificadores operacionais. Na figura 9 podemos ver o diagrama do circuito da fonte.
Tendo em vista que o controlador PID trabalha em parceria com uma fonte CA-CA projetada para operar tanto em 127 V quanto em 220 V foi optado por utilizar um Trafo com chave seletora para a tensão de entrada.
3.3 O STM32CubeMX
O CubeMX faz parte da iniciativa da STMicroelectronics para facilitar a vida dos desenvolvedores, reduzindo o tempo de desenvolvimento e custo. O software consiste de uma ferramenta gráfica de configuração que permite a geração do código de inicialização de periféricos e tudo que é necessário para o microcontrolador funcionar adequadamente, na figura 10, podemos ver o ambiente de configuração com os devidos pinos já configurados.
Figura 10 - Ambiente de configuração Fonte: Autoria própria.
Para o desenvolvimento do projeto foram feitas as seguintes configurações: PB8 -> I2C1_SCL
PB9 -> I2C1_SDA
Sendo eles responsáveis pela comunicação I2C entre o microcontrolador e o módulo lcd 1602.
PB7 -> USART1_RX PB6 -> USART1_TX
Pinos atribuídos para interface serial utilizadas para interfaciar com o Matlab. PA0 -> ADC1_IN0
Pino responsável pela aquisição de dados analógicos do sensor de temperatura.
PA10 -> GPIO_EXTI10 PA9 -> GPIO_Output
Pinos de interrupção externa e controle disparo do triac respectivamente.
O programa também é responsável por fazer configurações de Clock, Timers, interrupções e incluir as bibliotecas utilizadas, por exemplo: FREERTOS, o qual permite a implementação do algoritmo em threads.
Após as configurações básicas serem definidas o projeto deve ser exportado para algum ambiente de desenvolvimento embarcado, o escolhido foi o KEIL MDK por possuir um ambiente de debug para o stm32.
3.4 DESENVOLVIMENTO DO SOFTWARE
Tendo o projeto sido exportado para o Keil inicia-se o desenvolvimento do software, sugere-se como primeira atividade que se implemente as funções I2C para a comunicação do display, para que seja mais fácil o debug, referencias de como se implementar tais funções são facilmente encontradas na internet mas também podem ser buscadas no material anexo a este trabalho.
Após o display estar devidamente configurado e foi implementado a rotina do adc para que seja possível as leituras do sensor de temperatura.
Inicialmente este projeto tinha como intuito utilizar um sensor PT100 com o seu devido adequador de sinais, mas para simplificar o hardware foi optado a utilização de um LM35 como sensor de temperatura.
Estando na etapa em que o sistema já consegue fazer a leitura da temperatura, demonstra-la no display e calcular o erro, cabe agora implementar o algoritmo PID.
3.5 ARM_PID_F32
Esta função implementa o controlador (PID) para variáveis do tipo Ponto Flutuante de 32 bits. A cada chamada da função ela retorna um valor de entrada para o processo com o intuito de minimizar o erro ajustando as entradas de controle do processo. Ela possui dois argumentos sendo eles:
S -> Estrutura de coeficientes do PID, Kp ,Ki ,Kd. pid_erro - > Diferença entre o valor desejado do atual.
O coeficiente proporcional determina a reação ao erro atual, o coeficiente integral determina a reação com base na soma de erros recentes e o coeficiente derivativo determina a reação com base na taxa na qual o erro foi alterado.
A este ponto espera-se que o software já seja capaz de fazer leituras da temperatura, demonstra-las no display, também a cada loop do software principal calcular o erro e retornar um valor de potência como entrada do sistema.
A esse nível de abstração tal entrada consiste em um valor de 0 a 100 com o objetivo de relacionar o ângulo de disparo do Triac com a porcentagem de potência entregue para a planta.
3.6 CIRCUITO GRADADOT DE TENSÃO
Como estudado anteriormente o gradador de tensão consiste em um circuito que controla a tensão eficaz na carga gerando um atraso no disparo do Gate do dispositivo semicondutor.
O dispositivo semicondutor utilizado chamado de Triac consiste na combinação de dois tiristores reversamente polarizados que tem o funcionamento de um diodo controlado, ilustrado na figura 11.
Figura 11 - Folha de dados do dispositivo BTA40. Fonte: STMicroeletronics
Quando aplicada uma tensão em seu termina de Gate o dispositivo conduz entre os terminais A1 e A2 até o momento que a corrente seja nula ou seja, em um circuito CA, onde a corrente varia em função do valor de tensão da rede, sua corrente se anula em uma frequência de 120 Hz.
Tendo em vista tal característica do semicondutor é evidente que o circuito de controle da tensão eficaz tenha que ser sincronizado com este evento onde a tensão é nula. Para isso se faz necessário a implementação de um circuito de “Zero Crossing” que neste caso se implementou na topologia de amplificador inversor utilizando um optoacoplador isolado 4N25. Tendo em vista que o STM32 opera a 3,3
V foi necessário implementar um regulador zener na alimentação do circuito, demonstrado na figura 12.
Levando em consideração que o circuito demonstrado na figura 12 é alimentado por uma tensão de 220 V RMS, o sinal aplicado entre os terminais 1 e 2 do CI 4N25 consistirá em um sinal retificado em onda completa não filtrado, com amplitude maxima da tensão de pico, como mostrado na figura 13.
Figura 13 - Sinal aplicado nos terminais 1 e 2. Fonte: Autoria própria.
Considerando que o circuito de zero crossing utiliza a topologia inversora no lado de baixa tensão obtemos um pulso no momento que o valor da tensão da rede é nula, podemos comprovar tal comportamento com os gráficos obtidos no osciloscópio. Na figura 14 podemos ver o pulso gerado pelo circuito em sincronia com a senoide da rede elétrica.
Figura 12 - Circuito de "zero crossing" Fonte: Autoria própria.
Figura 14 - Pulso de zero crossing Fonte: Autoria própria.
A partir deste pulso uma rotina de interrupção foi implementada no micro controlador com o intuito de sincronizar o ângulo de defasagem do conversor com o instante em que a tensão é nula. Tal tarefa se fez possível combinando a interrupção externa (EXT2) o Timer (TIM2) devidamente configurado para ativar o Triac a cada 8.33 mS respeitando a frequência da rede 60 Hz.
Assim como o circuito acima utiliza as características ópticas do optoisolador para separar eletricamente o lado de alta e o de baixa tensão, também se faz necessário implementar um isolador para o circuito de drive do Triac, para isso se utilizou o optoacoplador MOC3020, na figura 15 podemos ver o circuito de potência completo.
Figura 15 – Circuito de Potencia. Fonte: Autoria própria.
Através das referências da folha de dados foi possível implementar um circuito de acionamento idêntico ao recomendado. Na Figura 16 podemos comprovar o funcionamento do gradador com uma potência de 50%.
Figura 16 - Gradador em 50% Fonte: Autoria própria.
A partir deste ponto o controlador está apto a controlar a carga em função da temperatura, para que seja possível realizar os testes práticos é necessário construir a planta.
3.7 DESENVOLVIMENTO DA PLANTA CONTROLADA
Como estudado anteriormente a etapa do processo a ser controlada consiste no cozimento dos adjuntos cervejeiros a certas rampas de temperatura durante determinado tempo até que ocorra a transformação por completa dos amidos em cadeias de açucares menos complexas. Para isso se faz necessário o desenvolvimento de um tanque metálico estéril para evitar contaminações, uma pratica comum no meio cervejeiro consiste em fazer transformações em um barril de chope a ponto de utiliza-lo como panela, assim aproveitando todas as características higiênicas do inox 304.
O equipamento escolhido foi um barril de inox 304 de 55l padrão Inglês, utilizando um maçarico de plasma alimentado com oxigênio cortou-se o fundo e removeu a válvula original do barril, aproveitando o retalho metálico do fundo confeccionou um fundo falso para que os adjuntos cervejeiros não entrem na tubulação instalada no lugar da válvula.
Para realizar o aquecimento do mosto foi projetado e encomendada uma resistência elétrica de 5000 W a qual foi instalada através de dois furos nas laterais na panela, na figura 17 podemos ver a resistência e seu fundo falso instalados.
Para que a temperatura do mosto se mantenha uniforme foi necessário implementar um sistema de recirculação de mosto em infusão, conhecido como RIMS (Recirculating Infusion Mash System) o qual drena o fluido pelo inferior da panela e o reintroduz por uma abertura na lateral da panela, demonstrado na figura 18. Todos os tubos e conexões utilizam matérias Food Grade, ou seja que não apresentam riscos a saúde.
Figura 17 - Resistencia e fundo falso instalados Fonte: Autoria própria.
Figura 18 - Dreno inferior Fonte: Autoria própria.
Na lateral da panela próximo a entrada de liquido da recirculação foi instalado um poço termométrico de latão para a fixação do sensor de temperatura.
Realizando testes práticos constatou a necessidade de aprimorar os parâmetros Kp, Ki e Kd do controlador para evitar offset e principalmente o overshoot, para isso se fez necessário e etapa de testes do sistema real, para assim poder aplicar o tuning do controlador.
3.8 RESULTADOS PRÁTICOS
Para que fosse possível aprimorar os coeficientes do controlador, primeiramente foi realizado um ensaio prático em malha aberta. Tal experimento foi realizado utilizando 20 litros de água e a tensão de 127 V devido ausência de alimentação bifásica no laboratório de testes. A figura 19 demonstra o comportamento do sistema em malha aberta.
Devido o baixo coeficiente de transferência térmica da água o liquido teve que ser agitado periodicamente causando alguma regularidade na taxa de aquecimento, mas foi possível estudar o comportamento do sistema utilizando o método de ZIEGLER-NICHOLS e realizar o ajuste dos coeficientes respeitando a tabela de parâmetros descrito pelo método.
Figura 19 - Resposta do sistema em malha aberta. Fonte: Autoria própria.
Após o tuning dos coeficientes foi repetido ensaio, mas agora em malha fechada com setpoint de 50ºC, a figura 20 demonstra a melhora evidente do sistema.
Figura 20 - Resposta do sistema em malha fechada com coeficientes ajustados. Fonte: Autoria própria.
Através do ensaio realizado foi possível comprovar a eficiência do controlador, o qual permitiu um overshoot de apenas 2%. Na figura 21 podemos ver o controlador finalizado juntamente com a planta desenvolvida.
Figura 21 - Controlador em operação. Fonte: Autoria própria.
4 CONCLUSÃO
Com o desenvolvimento deste trabalho foi possível realizar o estudo dos Micro controladores da Família STM32, controlador PID, o circuito gradador de tensão e principalmente métodos para que o sistema não possua overshoot.
A implementação da biblioteca “ARM_PID_F32” se mostrou não ser trivial devido a falta de documentação e grande incompatibilidade com a família STM32f1xx onde se fez necessário a adaptação dos códigos fornecidos pelo fabricante.
Mesmo com os problemas de compilação e instabilidades na saída do sistema de controle o resultado do desenvolvimento foi positivo, conseguindo manter a temperatura do sistema estável em regime permanente, mesmo que o controlador não tenha conseguido obter uma proporção da potência que leva-se a estabilidade.
Inicialmente foi proposto implementar um estimador do sistema utilizando o algoritmo de mínimos quadrados, e assim desenvolver um método de autotuning, mas durante a implementação do controlador foi possível constatar que tal implementação não seria necessário devido a simplicidade do processo a ser controlado, onde um simples método de tuning baseado em testes práticos apresentou um overshoot máximo desejado.
4.1 TRABALHOS FUTUROS
Como este trabalho é apenas o inicio dos estudos sobre controle de processos tem-se como intuito realizar o processo de estimação de planta online, ou seja, durante a operação da mesma, processar as informações e alterar os coeficientes do controlador em tempo real.
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APÊNDICE
Esta ultima sessão do trabalho possui o link de acesso dos códigos e arquivos desenvolvidos no decorrer do projeto:
https://drive.google.com/drive/folders/148ICENzRaGLp6TWlp6LMfZq8VK-ykp5d?usp=sharing
