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Neste trabalho, propoe-se o desenvolvimento de um kit did ˜ atico de supervis ´ ao e controle de ˜ n´ıvel e temperatura de um l´ıquido.
Tipologia: Teses (TCC)
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Trabalho de Conclus˜ao de Curso apresentado ao Curso Superior de Engenharia El´etrica da Universi- dade Tecnol´ogica Federal do Paran´a como requisito parcial para obtenc¸ ˜ao do t´ıtulo de ”Engenheiro Ele- tricista em Engenharia El´etrica”.
Orientador: Prof. Dr. Kleber Romero Felizardo
Agradec¸o, primeiramente, `a minha m˜ae que me forneceu todo o suporte necess´ario
para realizar minha vida acadˆemica, tamb´em me apoiou em momentos dif´ıceis e soube me
aconselhar da melhor forma poss´ıvel.
A minha namorada Let´ıcia, que foi paciente com meus estudos e sempre esteve co-
migo, passando por alegrias e dificuldades.
Aos meu amigos de faculdade, que estiveram o tempo todo ao meu lado. Sem eles
minha caminhada seria muito mais dificultosa.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Kleber Romero Felizardo, com o vasto conhecimento,
contribuic¸ ˜ao e compreens˜ao no desenvolvimento do trabalho.
E tamb´em a Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a, campus Corn´elio Proc´opio
acadˆemica.
”Determinac¸ ˜ao, coragem e auto-confianc¸a s˜ao fatores decisivos para o sucesso. Se estamos possu´ıdos por uma inabal´avel determinac¸ ˜ao, conseguiremos super´a-los. Independentemente das circunstˆancias, de- vemos ser sempre humildes, recatados e despidos de orgulho.” (Dalai Lama)
DE ROSSI, Pedro Andrade. Develop a supervision and control system of level and tempera- ture of fluids for didatic purposes. 49 f. Trabalho de Conclus˜ao de Curso – Graduac¸ ˜ao em Engenharia El´etrica, Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a. Corn´elio Proc´opio, 2017.
In this paper, it is proposed the development of a didatic kit of supervision and control of level and temperature of a liquid. The kit consist of an Arduino Uno microcontroller module, temperature sensors and level, control modules (H L298N and Dimmer), a heater, a water pump and the liquid reservatories. Supervision and control of the system are performed from a user interface that will be developed using LabVIEW software. It is expected that the development of this kit will help teachers in the laboratory classes of the control disciplines, making the connection between theory and practice closer.
Keywords: Control, Supervision, Kit, Arduino Uno, Level, Temperature.
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A automac¸ ˜ao industrial se faz necess´aria a partir do momento em que as empresas
buscam uma maior competitividade no mercado. Para alcanc¸ar este objetivo ´e fundamental
que as companhias busquem melhorias em seus processos industriais, que sejam mais r´apidos,
eficientes e a um prec¸o acess´ıvel ao consumidor (JUGEND, 2006).
A utilizac¸ ˜ao de sistemas autom´aticos est´a em ascens˜ao devido `as mais variadas tec-
nologias dispon´ıveis no mercado. S˜ao utilizadas t´ecnicas, equipamentos, softwares para que
processos industriais possam ser cada vez mais seguros, gastem menos recursos e tenham a
menor interferˆencia humana poss´ıvel (NAKAGAWA, 2009).
Com as novas tecnologias empregadas e a evoluc¸ ˜ao dos setores da automac¸ ˜ao (residen-
cial, industrial, comercial, no campo, entre outras), os microcontroladores est˜ao cada vez mais
presentes nestas ´areas com a finalidade de facilitar e gerar conforto na vida de seus usu´arios
(CORTELETTI, 2006).
Os microcontroladores s˜ao dispositivos single-chip fabricados com objetivo de embutir
aplicac¸ ˜oes de controle computacional. Estes dispositivos s˜ao de baixo custo e podem ser facil-
mente empregados em processos de controle digital. Devido ao fato de serem program´aveis e
possu´ırem tamanho reduzido, os microcontroladores se tornam uma excelente alternativa para
os processos como o de controle de n´ıvel e temperatura de l´ıquidos (IBRAHIM, 2006).
Sendo assim, o controle de n´ıvel de l´ıquidos em reservat´orios se torna fundamental em
ind´ustrias, clubes, laborat´orios e at´e mesmo em residˆencias. Se o controle de n´ıvel for efetuado
de maneira simples e eficaz, s´o tende a trazer vantagens, principalmente em ambientes indus-
triais que visam o sucesso da produc¸ ˜ao juntamente com a diminuic¸ ˜ao de gastos (SCHMIDT,
2008).
O mesmo se aplica para o controle de temperatura de l´ıquidos, que no setor industrial ´e
de suma importˆancia para garantir tanto a qualidade dos produtos quanto a seguranc¸a de pessoas
e equipamentos envolvidos (ARA ´UJO et al., 2004).
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Segundo Nise (2012), um sistema de controle pode ser representado por uma ordem de
processos e subsistemas com o objetivo de que uma entrada especificada possa gerar uma sa´ıda
desejada com o desempenho esperado. A Figura 1 representa um sistema de controle simples,
constitu´ıdo de uma entrada e uma sa´ıda.
Figura 1: Sistema de controle simplificado.
Fonte: Adaptado de Nise (2012)
Em um sistema de malha aberta basicamente um sinal de sa´ıda n˜ao exerce nenhuma
ac¸ ˜ao de controle no mesmo, ou seja, n˜ao havendo o controle da sa´ıda e tamb´em n˜ao havendo
comparac¸ ˜ao com o sinal de entrada. Logo, na presenc¸a de um dist´urbio o sistema de malha
aberta n˜ao conseguir´a regular a vari´avel de sa´ıda (OGATA, 2010). Na Figura 2, ´e mostrado um
sistema de controle de malha aberta onde n˜ao h´a realimentac¸ ˜ao do sinal de sa´ıda.
No sistema de controle de malha fechada a diferenc¸a entre o sinal de realimentac¸ ˜ao
(que pode ser o sinal de sa´ıda ou func¸ ˜oes recorrentes do mesmo) e o sinal de entrada ´e deno-
minado sinal de erro atuante. Esse sinal de erro realimenta o controlador de forma `a acertar a
sa´ıda do sistema, minimizando o seu erro (OGATA, 2010). Um exemplo de sistema de controle
de malha fechada pode ser observado na Figura 3, no qual o sinal de sa´ıda passa por um sensor
para que possa ser definido o erro e comparado com a entrada.
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Figura 2: Sistema de controle de malha aberta.
Fonte: Adaptado de Nise (2012)
Figura 3: Sistema de controle de malha fechada.
Fonte: Adaptado de Nise (2012)
A modelagem matem´atica de sistemas de controle normalmente ´e feita por meio de leis
f´ısicas utilizadas na engenharia e na ciˆencia, que representam as plantas ou processos da forma
mais realista poss´ıvel, e/ou por meio de medidas experimentais das vari´aveis de interesse, tanto
as de sa´ıda como as de entrada. Em geral, os modelos matem´aticos s˜ao apresentados atrav´es
de func¸ ˜oes de transferˆencia, equac¸ ˜oes diferenciais ou vari´aveis de estado (NISE, 2012). As
modelagens apresentadas no trabalho s˜ao v´alidas para apenas um ponto de equil´ıbrio, j´a para
altas taxas de variac¸ ˜ao s˜ao exigidos modelos mais complexos.
A Figura 4, representa um t´ıpico sistema t´ermico onde a resistˆencia de aquecimento,
ao receber um sinal de tens˜ao Vp, libera um fluxo de calor qi respons´avel pelo aquecimento do
sistema. Normalmente s˜ao utilizados elementos de chaveamento D para variar sua potˆencia, a
partir de um sinal de entrada Vu. Nesse sistema a temperatura T e a vari´´ avel `a ser controlada e
depende da temperatura ambiente Ta, do fluxo de energia que ´e dissipado para o meio externo q 0 ,
da resistˆencia t´ermica R e da capacidade t´ermica C do sistema (DATAPOOL ELETR ˆONICA,
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Aplicando a transformada de Laplace na Equac¸ ˜ao 7, tem-se:
RCsT (s) + T (s) = Rqi(t) + Ta(s) (8)
T (s) =
RCs + 1
qi(s) +
Ta(s) RCs + 1
Para o sistema de controle de n´ıvel, as grandezas f´ısicas ou as vari´aveis mais utilizadas
para descrever os sistemas s˜ao normalmente fluxo, press˜ao e o pr´oprio n´ıvel. Para a modelagem
matem´atica desse sistema de n´ıvel (Figura 5) s˜ao levados em conta dois parˆametros b´asicos, a
capacitˆancia e a resistˆencia hidr´aulica (DATAPOOL ELETR ˆONICA, 2006).
Figura 5: Sistema de n´ıvel.
Fonte: Adaptado de Datapool Eletrˆonica (2006)
A capacitˆancia hidr´aulica (Ch) ´e a relac¸ ˜ao entre a variac¸ ˜ao da vaz˜ao de um flu´ıdo,
Equac¸ ˜ao 10, e a taxa de variac¸ ˜ao do seu n´ıvel n no tempo (t), Equac¸ ˜ao 11.
∆qh(t) = qhi(t) − qh 0 (t) (10)
Ch =
∆qh(t) dn(t) dt
A resistˆencia hidr´aulica (Rh) ´e dada pela taxa de variac¸ ˜ao da altura do n´ıvel do reser-
vat´orio n em relac¸ ˜ao a variac¸ ˜ao da vaz˜ao de um flu´ıdo qh, Equac¸ ˜ao 12. Por´em se o escoamento
for laminar (em casos de flu´ıdos de alta viscosidade) a relac¸ ˜ao ´e dada pela Equac¸ ˜ao 13, j´a
para flu´ıdos com escoamento turbulento ´e poss´ıvel utilizar a aproximac¸ ˜ao da Equac¸ ˜ao 14 para
pequenas variac¸ ˜oes de qh e n.
Rh =
dn dqh
qh =
nt Rh
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qh =
2 nt Rh
Substituindo as Equac¸ ˜oes 11 e 13 na Equac¸ ˜ao 10, tem-se:
Ch
dn(t) dt
= qhi(t) −
nt Rh
Aplicando Laplace na Equac¸ ˜ao 14, obtem-se:
n(s)sRhCh(s) + n(s) = Rhqhi(s) (16)
Isolando a relac¸ ˜ao de n(s)/qhi(s), ´e estabelecida a func¸ ˜ao transferˆencia:
n(s) qhi(s)
Rh RhChs + 1
O primeiro m´etodo de Ziegler-Nichols consiste em realizar uma sintonia dos contro-
ladores PID experimentalmente atrav´es de uma entrada degrau unit´ario como pode ser visto na
Figura 6. Para que a curva de resposta do degrau unit´ario tenha um formato de ”S”, o sistema
ou planta n˜ao pode conter polos complexos conjugados dominantes e/ou integradores (OGATA,
2010).
Figura 6: Resposta ao degrau unit´ario.
Fonte: Ogata (2010)
A curva gerada atrav´es de uma entrada degrau apresenta alguns fatores: a constante de
tempo (T) e o atraso (L). Desenhando uma tangente no ponto de inflex˜ao da curva S, pode-se
determinar T e L como mostrado na Figura 7. Com o levantamento dessas vari´aveis e utilizando
as f´ormulas da Tabela 1 ´e poss´ıvel mensurar os parˆametros do controlador PID (OGATA, 2010).
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Para que seja poss´ıvel implementar um controlador PI ´e necess´ario encontrar os valo-
res dos parˆametros (KP) e (KI ). Uma vez obtidos esses parˆametros ´e poss´ıvel associar a func¸ ˜ao
transferˆencia do controlador com a func¸ ˜ao transferˆencia da planta, obtendo-se uma nova res-
posta (DORF; BISHOP, 2001). Por se tratar de um trabalho com fins did´aticos, ser´a poss´ıvel
que o aluno mude o PI do kit para perceber a alterac¸ ˜ao que os parˆametros do controlador causa
na resposta.
O controlador PI discreto ´e baseado nas seguintes equac¸ ˜oes:
u(k) = p(k) + i(k) (20)
p(k) = kP ∗ e(k) (21)
i(k) = KI ∗ T ∗ e(k) + i(k − 1 ) (22)
Sendo T o per´ıodo total de amostragem, u(k) ´e a ac¸ ˜ao de controle no instante atual kT,
e(k) o erro atuante no sistema e i(k-1) ´e o valor do tempo anterior, ou seja, (k-1)T.
A placa Arduino Uno ´e baseada no microcontrolador ATmega328P, que possui uma
mem´oria de programa do tipo flash de 32 KB, uma mem´oria de dados do tipo SRAM de 2KB,
uma mem´oria EEPROM de 1KB e um clock interno de 16 MHz (ARDUINO, 2016a).
Dos quatorze pinos dispon´ıveis no Arduino Uno, dois pinos s˜ao utilizados para comunicac¸ ˜ao
serial, seis pinos s˜ao sa´ıdas PWM e dois pinos s˜ao utilizados para interrupc¸ ˜ao externa. Os
quatorze pinos podem ser configurados tanto como sa´ıda quanto entrada, pelos comandos pin-
Mode(), digitalWrite() e digitalRead(). A placa Arduino Uno (Figura 8) necessita de um ambi-
ente de desenvolvimento integrado ou integrated development environment (IDE) pr´opria para
programac¸ ˜ao (ARDUINO, 2016a).
Para a alimentac¸ ˜ao correta da placa ´e recomendado uma fonte externa de tens˜ao que
trabalhe entre 7 V a 12 V, devido ao fato de que a placa opera com uma tens˜ao de apenas 5 V.
Uma tens˜ao de alimentac¸ ˜ao maior que 12 V pode gerar um sobreaquecimento no regulador de
tens˜ao, podendo danificar o equipamento. A alimentac¸ ˜ao do microcontrolador pode tamb´em
ser via cabo USB (ARDUINO, 2016a).
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Figura 8: Arduino Uno.
Fonte: Arduino (2016b)
A placa Arduino Uno ser´a utilizada no kit com a finalidade de realizar a leitura dos
sensores e tamb´em respons´avel pela resposta enviada para os atuadores dos subsistemas.
O sensor HC-SR04 trabalha com sinais ultrassˆonicos de 40 kHz, que s˜ao impercept´ıveis
a audic` ¸ ˜ao humana, com uma velocidade de aproximadamente 34000 cm/s para determinar a
distˆancia que h´a entre o sensor e o objeto/obst´aculo desejado. A faixa de medida est´a entre 2
cm a 400 cm com uma exatid˜ao de 0,3 cm (CYTRON TECHNOLOGIES, 2013).
O sensor ultrassˆonico (Figura 9) possui um pino de alimentac¸ ˜ao de 5 V, um pino para
o gatilho, um pino de eco e um pino para o terra, sendo eles: VCC, TRIG, ECHO e GND
respectivamente (CYTRON TECHNOLOGIES, 2013).
