CONTROLES INDUSTRIAIS ONLINE: UM WEBSITE PARA O ENSINO À DISTÂNCIA DE CONTROLES INDUSTRIAIS
Carine Valentini Botinhão1, João Carlos Basilio2
Resumo: Esse artigo trata do uso da internet como uma ferramenta auxiliar no ensino sob a perspectiva de utilização remota do Matlab para realizar os cálculos necessários para a identificação de funções de transferências de plantas e para o ajuste dos parâmetros de controladores PID industriais. A idéia básica é desenvolver uma interface entre o usuário e o Matlab de forma que o usuário não necessite conhecer os detalhes da linguagem Matlab, tendo apenas que inserir os dados em janelas apropriadas e analisar os resultados e os gráficos resultantes da execução de uma rotina Matlab. O site consta ainda de uma opção em que o usuário pode ter acesso aos fundamentos teóricos dos métodos de identificação e projeto disponíveis no site. Por essa razão,o site tem potencial para ser utilizado como ferramenta auxiliar no ensino de controles industriais, no ensino à distância e por engenheiros da indústria que não possuem a base teórica necessária para obter modelos de sistemas reais e projetar controladores PID.
Palavras-chave: Educação à distância, Meios didáticos auxiliares, Web, Internet, Identificação de sistemas, Projetos de controladores
1. INTRODUÇÃO
A massificação da internet na última década do século passado trouxe consigo uma mudança dramática no ensino de graduação e de pós-graduação e, em particular, na área de Sistemas de Controle (POINTDEXTER E HECK 1999). Ensino à distância, livros eletrônicos e ambientes para aprendizado interativo ganham, a cada dia, mais espaço. Em particular, na área de Sistemas de Controle, verifica-se uma grande aplicação no desenvolvimento de laboratórios de controle remotos, onde o aluno tem acesso ao equipamento para realizar os seus experimentos na hora que melhor lhe convier.
Ao se verificar que a internet poderia ser uma ferramenta importante no ensino, pesquisadores procuraram estabelecer os paradigmas para o seu uso. Os primeiros trabalhos tinham como foco: estabelecer as perspectivas para utilização da internet no ensino e no aprendizado (BROWNING E WILLIAMS 1977) e propor maneiras simples de preparar cursos através da internet (KAPUR E STILLMAN 1977, LEE ET AL. 1998). Surgiram ainda algumas propostas de laboratórios remotos utilizando a internet (KNIGHT E DEWEERTH 1996, SHAHEEN ET AL. 1998). Esse período inicial está documentado em POINDEXTER E HECK (1999), que apresentam uma revisão bibliográfica sobre o uso da internet no ensino de Sistemas de Controle. Apresentam também, para aqueles profissionais de ensino que ainda não tenham feito uso da internet nos seus cursos, modelos de sites para sugerir o que pode ser feito e descrevem quais os primeiros passos para implementação de sites para ensino.
Seguindo uma linha diferente da inicial, CHETTY E DABKE (2000) abordam a questão da educação à distância via internet na engenharia, incluindo experimentos de laboratório. O objetivo principal do trabalho de Chetty e Dabke é fazer com que, através da internet, se tenha um acesso adequado e uma familiarização com os equipamentos antes de usá-los; esse trabalho lida basicamente com simulações.
Mais recentemente, o enfoque principal tem sido o desenvolvimento de laboratórios de ensino remoto. CASINI ET AL (2003, 2004) apresentam um laboratório remoto para o ensino de Sistemas de Controle em que o estudante pode realizar experimentos via internet, mudar os parâmetros dos controladores e analisar os resultados remotamente. Permite ainda que os alunos projetem os seus próprios controladores a partir de um ambiente Matlab/Simulink e testá-los na planta real. CHIRICO ET AL. (2005) apresentam um novo modelo para compartilhar laboratórios reais na internet e constroem um laboratório online virtual, com aplicações no campo de instrumento eletrônicos de medição. O laboratório proposto considera a questão de testar teorias através de experimentos e permite a execução de experimentos reais via Web.
Diferentemente dos trabalhos desenvolvidos até o momento, esse artigo trata do uso da internet como uma ferramenta auxiliar no ensino sob a perspectiva de utilização remota do Matlab (MATHWORKS 1999) para realizar os cálculos necessários para a identificação de funções de transferências de plantas por modelos de primeira e segunda ordem e para o ajuste dos parâmetros de controladores PID industriais. A idéia básica é desenvolver uma interface entre o usuário e o Matlab de forma que o usuário não necessite conhecer os detalhes da linguagem Matlab, tendo apenas que inserir os dados em janelas apropriadas e analisar os resultados e os gráficos resultantes da execução de uma rotina Matlab. O site consta ainda de uma opção em que o usuário pode ter acesso aos fundamentos teóricos dos métodos de identificação e projeto disponíveis no site. Por essa razão, o site descrito nesse artigo poderá ter as seguintes utilizações: (i) como complementação do ensino da disciplina 1,2
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola de Engenharia, Depto. de Eletrotécnica, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, 21.945-970, Rio de Janeio, RJ. Emails: carinevb@gmail.ufrj.br, basilio@dee.ufrj.br
Controles Industriais; (ii) no ensino à distância dessa mesma disciplina e; (iii) como ferramentas de projeto por engenheiros da indústria que não possuem a base teórica necessária para desenvolver métodos para obtenção de modelos de sistemas reais e projetar controladores PID.
Esse artigo está estruturado da seguinte forma: na seção 2 é apresentada uma breve introdução de como se dá a comunicação entre usuários e servidores via Web; a seção 3 apresenta um breve relato do trabalho anterior que que culminou no desenvolvimento do trabalho aqui descrito; a estrutura do website Controles Industriais Online e como se se dá o acesso ao Matlab através do site são o assunto da seção 4; a descrição do site Controles Industriais Online está apresentada na seção 5; na seção 6 é apresentado um estudo introdutório sobre a tecnologia CGI, o servidor APACHE e a toolbox Matlab Engine, que formam o arcabouço técnico necessário para a realização do site; na seção 7 são relacionadas as rotinas que podem ser utilizadas no site e na seção 8, são apresentadas as conclusões.
Nesse ponto, duas observações são importantes: a primeira é que nesse artigo não serão apresentados os aspectos técnicos necessários para a construção e operação do site, uma vez que o enfoque principal desse artigo é didático; o segundo ponto é que, de acordo com a norma gramatical, palavras de outros idiomas devem ser realçadas (escritas entre aspas ou em itálico, por exemplo). Em informática, contudo, são utilizadas corriqueiramente diversas palavras oriundas da língua inglesa, uma vez que as respectivas traduções tornariam o texto excessivamente prolixo, ou simplesmente não são adotadas por razões de sonoridade. Assim, por simplicidade, nesse trabalho, todas as palavras oriundas da língua inglesa não serão realçadas.
2. COMUNICAÇÃO ENTRE USUÁRIOS E SERVIDORES VIA WEB
A estrutura básica para comunicação entre usuários e servidores de páginas Web é a exibida na figura 1. Um usuário, utilizando um programa navegador (i.e. Internet Explorer ou Netscape), digita o endereço URL (Uniform Resource Locator) de uma página Web. O navegador, por sua vez, entra em contato com um servidor de endereços DNS (Domain Name Server) que traduz o endereço digitado pelo usuário em um endereço IP, o endereço da máquina servidora da página solicitada. Nesta máquina o programa servidor de páginas (Web Server) recebe a requisição, busca o arquivo solicitado e o envia para o cliente, o navegador do usuário.
Um servidor de páginas é um software que disponibiliza páginas Web para clientes (em geral navegadores como o Internet Explorer ou o Netscape), ou seja, é um programa que aguarda que um cliente faça a requisição de um arquivo e em seguida lhe envia esse arquivo. A principio os dados passados pelo servidor são estáticos, arquivos (em sua maioria textos) existentes na máquina servidora. Com o avanço da internet é natural que a maneira de exibir conteúdos em páginas Web se torne mais complexa. Quando é necessário passar dados dinâmicos (dados que são fornecidos pelo usuário ou que são resultados de cálculos realizados na máquina servidora) torna-se necessário utilizar outras linguagens (tecnologias) que não a HTML. Nesse artigo, os dados para a construção das páginas web são dinâmicos; os dados de entrada são resultados de experimentos e os de saída, correspondem aos parâmetros dos modelos desejados para o sistema e resultados (gráficos) de simulações.
A tecnologia utilizada para tornar isso possível é o CGI (Common Gateway Interface), cujo funcionamento é detalhado será detalhado na seção 5.
3. MOTIVAÇÃO E FILOSOFIA DO TRABALHO
A motivação deste trabalho vem do desenvolvimento de rotinas em Matlab com o objetivo de montar uma biblioteca de Controles Industriais (BASILIO E BOTINHÃO 2003). Essa biblioteca, denominada contind, possui uma série de arquivos de funções Matlab, sendo divididas em funções para identificação de sistemas e funções para o projeto de controladores PID. Atualmente, essa biblioteca está disponibilizada para alunos do curso de Engenharia Elétrica, ênfase Eletrotécnica, da disciplina de Controles Industriais da UFRJ, para alunos dessa disciplina em outras universidades e também para engenheiros da indústria através de download na página do Grupo de Controle Automátio (http://www.dee.ufrj.br/controle_automatico). Essa é uma solução viável, porém traz inúmeros problemas: o primeiro deles é o fato de não ser possível, dentro do código, apresentar os fundamentos teóricos necessários para a utilização da rotina; o segundo é o fato de o Matlab ser um programa pago, tornando muitas vezes impossível que todos os usuários interessados tenham acesso a ele; o terceiro fato a ser levado em consideração é que, mesmo que o usuário da biblioteca possua uma instalação do Matlab em sua máquina, ele deverá, ainda, ter conhecimento de sua linguagem de programação para ser capaz de utilizar as rotinas com sucesso.
Uma opção à simples disponibilização do código para download é fazer com que o usuário seja capaz de, a partir de uma simples página HTML, executar as rotinas da biblioteca remotamente. Disponibilizar dados em uma página na internet é uma tarefa relativamente simples. Basta dispor de um computador servidor, configurá-lo de maneira que possa ser acessado por qualquer computador na internet, instalar um programa servidor de páginas e colocar as páginas HTML com os dados que se deseja disponibilizar na rede.
No caso do trabalho aqui descrito, diversos problemas devem ser solucionados para permitir que a biblioteca de Controles Industriais seja executada pela internet: o primeiro problema é o fato de haver a necessidade de o servidor, de alguma forma, obter os parâmetros que serão inseridos pelo usuário na página HTML que, no caso das rotinas da biblioteca contind são, em sua maioria, vetores; o segundo problema é o fato de que, de alguma maneira, a partir de uma solicitação do usuário (um clique em algum link ou botão), o servidor deve iniciar um processo que leve à execução do Matlab no servidor, sem o conhecimento ou intervenção do usuário. Uma das formas de solucionar esses problemas e utilizar-se a tecnologia CGI. Essa consiste de um programa que pode ser escrito em determinadas linguagens, a ser executado no servidor e que possui acesso tanto aos parâmetros passados pelo usuário na página HTML quanto aos recursos e dados residentes na máquina servidora. Desta forma, esse programa pode gerar uma página HTML de saída com conteúdo oriundo dessas duas fontes de dados.
4. ESTRUTURA DO WEBSITE CONTROLES INDUSTRIAIS ONLINE E ACESSO AO MATLAB O website Controles Industriais Online possui a estrutura exibida na figura 2. Na máquina servidora das páginas, além do programa Web Server, existe mais uma camada, a tecnologia CGI. O programa CGI desenvolvido, portanto, funciona como uma ponte entre o usuário e seus dados e o Matlab. A linguagem escolhida para o desenvolvimento do programa CGI foi o C++ e a biblioteca de funções VBMcgi foi utilizada para tornar mais fácil, rápida e eficiente a obtenção dos dados do usuário e a exibição dos dados de saída em seu navegador.
Definida a estrutura de funcionamento do website, torna-se necessário determinar como será feito o acesso ao Matlab a partir do programa CGI e como nele serão executadas as rotinas da biblioteca contind. A primeira maneira é utilizar uma função do próprio sistema operacional que permite que, de dentro de um programa, sejam executados comandos como se estivessem sendo digitados em um terminal. A maneira de se fazer isso em C++ é utilizar a função system, que recebe como parâmetro, o comando a ser executado. Pesquisando a documentação do Matlab, verifica-se que, ao ser executado a partir de um terminal, o Matlab pode
Servidor Linux Computador remoto Tecnologia CGI Matlab Engine Página Web Programa de Simulação em C++ Matlab
Figura 2: Estrutura do Website Controles Industriais Online Computador remoto
receber como parâmetro o nome de um arquivo de comandos Matlab (de extensão .m), que servirá como fonte de comandos para sua execução. Portanto basta, dentro de um programa em C++, fazer:
para que o Matlab execute, linha a linha, os comandos contidos no arquivo comandos.m e se encerre. Assim, no caso desse trabalho, basta que o programa CGI chame o Matlab e passe como parâmetro o nome de um arquivo que contenha os dados do usuário e o código Matlab da rotina.
Outra possibilidade para o acesso ao Matlab é o uso da biblioteca Matlab Engine. Essa bilbioteca possui um conjunto de funções que permitem que o Matlab seja utilizado a partir de programas externos, escritos em C, C++ ou Fortran. A vantagem do uso dessa biblioteca reside no fato de que, com ela, o acesso ao Matlab ocorre tal como o de um usuário digitando comandos na janela de comandos do Matlab, ou seja, é possível, de dentro do programa, passar comandos diretamente para o Matlab. Essa é a maneira aqui escolhida para acessar o Matlab.
O programa CGI desenvolvido é tal que a sua execução seja a mais eficiente possível. Para tanto, ao executar uma rotina no Matlab, altera-se inicialmente o seu próprio arquivo de códigos para que nele sejam inseridos os dados passados pelo usuário. Embora seja possível, utilizando a biblioteca Matlab Engine, passar esses dados um a um, por comandos, isso seria demorado e ineficiente já que a maioria desses dados são vetores, que podem ter centenas ou milhares de componentes. Para contornar esse problema cria-se um arquivo modelo a partir de uma função desenvolvida para a toolbox contind, substituindo-se a linha com a definição da função e das variáveis de entrada e saída por definições de variáveis em que o valor a ser atribuído a ela é uma string (formada utilizando-se funções da biblioteca VBMcgi) para se gerar um vetor de uma ou mais componentes, e encerrando-se o arquivo de comando com um comando para salvar as variáveis de saída em um arquivo ascii. A figura 3 mostra dois arquivos simples, uma função Matlab e um arquivo de comandos Matlab correspondente a ela, que seria o seu modelo para criação dos arquivos temporários. Nesse modelo as strings iniciadas por $ serão substituídas pelos dados de interesse (vindos do usuário) e a linha que contém o comando save é a responsável
por salvar o resultado da rotina.
Assim sendo, após obter os dados do usuário, um arquivo modelo da rotina em questão é aberto, alterando-se as suas primeiras linhas para definir os vetores e demais dados e, então, esse arquivo é salvo com um nome temporário, sendo válido apenas para aquela sessão do usuário. Em seguida, através da Matlab Engine, o programa abre uma sessão do Matlab e passa como comando o nome deste arquivo temporário. As linhas desse arquivo são, então, executadas uma a uma pelo Matlab, e, ao final, o programa fecha a sessão do Matlab. Os dados de saída (valores e/ou figuras) são salvos por comandos contidos nas últimas linhas do arquivo modelo e são lidos pelo programa após a execução do Matlab. Os arquivos modelos, que agora deixam de ser arquivos de funções e passam a ser arquivos de comandos, de todas as rotinas disponíveis no Website, estão armazenados em uma pasta chamada templates.
5. O WEBSITE CONTROLES INDUSTRIAIS ONLINE
O servidor de páginas do website Controles Industriais Online é uma máquina AMD Athlon XP 2000+, com 40 GB de Hard Disk e 512 MB de memória RAM, com o sistema operacional Linux, distribuição Red Hat
system("matlab < comandos.m");
function [y] = fexemplo(a,b) y=a+b;
a=$a; b=$b; y=a+b;
save teste.dat y -ascii
Função Matlab Arquivo de modelo correspondente à função
Figura 3: Exemplo com as alterações a serem realizadas nas funções Matlab para utilização com o Matlab Engine em um ambiente CGI.
8.0. Para o desenvolvimento do programa CGI do projeto foi necessário, durante a instalação do Red Hat, acrescentar o pacote de desenvolvimento (Development Tools) que possui, dentre outros, o compilador gcc.
A página inicial do website pode ser vista na figura 4. Nessa página há um menu com três botões, a partir dos quais se tem acesso às páginas dos métodos de identificação de sistemas e de projeto de controladores PID.
Em cada uma das páginas dos métodos de identificação e projeto de controladores PID, encontra-se uma breve descrição do método a ser utilizado pelo usuário e três opções: (i) teoria, que permite ao usuário acessar uma página com a teoria nele utilizada; (ii) demonstração, que é uma página com dados para demonstração de sua utilização e funcionamento ou, ainda; (iii) utilização, uma página para sua utilização direta do método, conforme mostrado nas figura 5 e 6.
Figura 4: Página inicial do website Controles Industriais Online
Um exemplo das páginas de utilização do método é exibido na figura 7. Deve ser resaltado que a quantidade de dados a serem inseridos e seu tipo dependem do método escolhido. Após inserir os dados, o usuário deve selecionar se deseja apenas imprimir um gráfico com os dados inseridos ou se deseja efetivamente rodar o método e, em seguida, clicar sobre o botão com o texto Enviar.
Após alguns momentos, durante os quais um programa em CGI está sendo executado, o usuário receberá em seu navegador uma página como a da figura 8, gerada dinamicamente a partir do resultado da execução do método com os dados inseridos pelo usuário. Nos métodos de identificação, além dos parâmetros, são exibidos gráficos com os resultados de simulações utilizando com os modelos obtidos, sendo os dados do sinal de excitação,
Figura 6: Página com os métodos para ajuste de controladores PID industriais
aqueles fornecidos pelo usuário, para permitir que esse valide, ou não, o modelo matemático encontrado pelo programa.
6. O SERVIDOR APACHE, A TECNOLOGIA CGI E A BIBLIOTECA MATLAB ENGINE
De acordo com a estrutura discutida na seção 4, uma máquina a ser usada como servidora de páginas deve ter um programa Servidor Web executado, de preferência, ininterruptamente. O servidor web utilizado neste projeto é o Apache Server 2.0 para Linux, um programa gratuito e de código aberto. Na sua instalação é necessário adicionar o módulo mod_env para possibilitar a passagem de variáveis de ambiente para os programas CGI a serem executados pelo Apache. Isto é importante uma vez que o Matlab e o Matlab Engine, utilizados nesse projeto, necessitam, respectivamente, das variáveis de ambiente HOME e LD_LIBRARY_PATH
para seu correto funcionamento. Os passos de instalação do servidor Apache estão disponibilizados no site http://www.apache.org, assim como a sua versão mais atual para download. Deve-se salientar que o site dispõe de documentação completa para a instalação, configuração e utilização do servidor Apache.
O CGI (Common Gateway Interface) é uma ferramenta que permite que um servidor WEB obtenha ou envie dados de um banco de dados, documento ou outro programa, presentes no servidor, disponibilizando-os para usuários via Internet. Qualquer linguagem de programação pode ser utilizada para escrever um programa em CGI. No website descrito nesse trabalho, a linguagem utilizada foi o C++ que, com a tecnologia CGI, tornou possível a exibição no navegador dos usuários, dos resultados (parâmetros do modelo e dos controladores PID projetados) e das simulações em Matlab por eles requisitadas.
No momento em que um usuário clica, em seu navegador, em algum botão ou link que chame um programa em CGI, é formada uma variável de ambiente chamada QUERY_STRING, que possui, entre outras, as informações da página que chamou o programa CGI. Essa variável fica, então, disponível para este programa, que deve decodificá-la; em geral através do uso de bibliotecas ou módulos específicos para tal. Neste trabalho utilizou-se a biblioteca VBMcgi, que está disponível no site http://www.vbmcgi.org, que possui métodos necessários para aquisição dos dados postados e para construção de uma página de saída do programa.
O programa utilizado neste projeto para execução de cálculos e simulações é o Matlab 6.0 para Linux (MATHWORKS 1999), da MathWorks. O Matlab é acessado através do uso da biblioteca Matlab Engine, que também é fornecida pela Mathworks. A biblioteca Matlab Engine é um conjunto de rotinas que permitem que o Matlab seja utilizado a partir de programas externos, que podem ser escritos em C ou Fortran e se comunicam com um processo Matlab exclusivo, através de pipes em Unix e via Component Object Model (COM), no Windows; para maiores detalhes o leitor interessado deve acessar o manual do Matlab. As funções presentes na biblioteca permitem que o programa inicie e termine o processo Matlab, envie e receba dados/variáveis e faça o envio de comandos, permitindo que o Matlab possa ser utilizado como uma poderosa ferramenta para cálculos.
7. ROTINAS MATLAB DESENVOLVIDAS
Através da página Controles Industriais Online, podem-se obter modelos de primeira ou segunda ordem, com ou sem atraso. Para tanto, deve o usuário fornecer os vetores com os instantes de tempo e os correspondentes valores da entrada (degrau) e da resposta. É possível, então (BASILIO 1998, ASTROM e HAGGLUND 1988, 1995):
1. Modelar sistemas com resposta ao degrau monotonicamente crescente por um modelo de primeira ordem utilizando os métodos do logaritmo neperiano e da área;
2. Modelar sistemas com resposta ao degrau monotonicamente crescente por um modelo de primeira ordem com atraso utilizando o método das áreas;
3. Modelar sistemas com resposta ao degrau monotonicamente crescente por um modelo de segunda ordem criticamente amortecido sem zeros o método da área;
4. Modelar sistemas com resposta ao degrau monotonicamente crescente por um modelo de segunda ordem criticamente amortecido com atraso e sem zeros.
É possível, ainda,
5. Obter a decomposição de sinais periódicos, geralmente corrompidos por ruídos, em série de Fourier, permitindo determinar, principalmente, a amplitude e a fase da componente fundamental.
No que se refere ao projeto de controladores, estão atualmente disponíveis na página, rotinas para ajuste de controladores PID industriais, utilizando:
6. O método de Ziegler & Nichols (ZIEGLER e NICHOLS 1942); 7. O método de Basilio & Matos (BASILIO e MATOS 2002).
Um aspecto importante a ser ressaltado com relação às funções desenvolvidas para identificação de funções de transferências é que elas são capazes de realizar a validação da identificação, isto é, estão conectadas a um modelo Simulink (MATHWORKS 1999), capaz de fazer a simulação utilizando-se o mesmo sinal de entrada aplicado no sistema real, retornando um gráfico como aquele representado na figura 8.
8. CONCLUSÕES
Nesse artigo foi apresentada uma aplicação da internet como meio auxiliar no ensino de Controles Industriais. Foi desenvolvido um site que permite a passagem de dados entre usuários e servidor e vice-versa e cujas páginas são atualizadas dinamicamente, isto é, a partir dos dados fornecidos pelo usuário e pelos dados oriundos de cálculos executados no servidor. Por suas características, o trabalho aqui desenvolvido pode ser também utilizado no ensino à distância e por engenheiros práticos que não podem dispor de parte do seu tempo para o desenvolvimento de rotinas de identificação e projeto de controladores PID.
Como trabalhos que podem ser desenvolvidos no site aqui proposto destacam-se: (i) o desenvolvimento de outras rotinas para obtenção de modelos de sistemas lineares a partir da resposta em freqüência e de outras técnicas de ajuste de controladores PID e por avanço e atraso de fase; (ii) o uso de programação em linguagem Java para selecionar determinados pontos entre aqueles obtidos experimentalmente e para a representação de gráficos que não sejam aqueles gerados pelo Matlab.
Agradecimentos
Este trabalho foi parcialmente financiado pelo CNPq e pela FAPERJ.
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