Edilson Alfredo da Silva Construção, Modelagem e Controle de um Pêndulo Invertido com CLP e ...

79 Pages·2014·1.18 MB·Portuguese

UNIVERSIDADEESTADUAL PAULISTA
“JÚLIODEMESQUITA FILHO”
CâmpusdeIlhaSolteira-SP
Edilson Alfredo da Silva
Construção, Modelagem e Controle de um Pêndulo Invertido
com CLP e Software SCADA
IlhaSolteira-SP
2013
UNIVERSIDADEESTADUAL PAULISTA
“JÚLIODEMESQUITA FILHO”
CâmpusdeIlhaSolteira-SP
PROGRAMADEPÓS-GRADUAÇÃOEMENGENHARIAELÉTRICA
"Construção, Modelagem e Controle de um Pêndulo
Invertido com CLP e Software SCADA"
Edilson Alfredo da Silva
Prof. Dr. Marcelo Carvalho MinhotoTeixeira
Orientador
Prof. Dr. Jean Marcos deSouzaRibeiro
Co-orientador
Dissertação apresentada à Faculdade de
Engenharia do Câmpus de Ilha Solteira -
UNESPcomopartedosrequisitosparaob-
tenção do título de Mestre em Engenharia
Elétrica.
Especialidade: Automação.
IlhaSolteira-SP
2013
FICHA CATALOGRÁFICA
Desenvolvidopelo Serviço Técnico deBibliotecaeDocumentação.
Silva,EdilsonAlfredoda.
S586c Construção,modelagem econtroledeumpênduloinvertido comCLPe
softwarescada/EdilsonAlfredodaSilva. –IlhaSolteira: [s.n.],2013
79f. : il.
Dissertação (mestrado)-Universidade EstadualPaulista. Faculdadede
Engenharia deIlhaSolteira. Áreadeconhecimento: Automação,2013
Orientador: MarceloCarvalhoMinhotoTeixeira
Co-orientador: JeanMarcosdeSouzaRibeiro
Incluibibliografia
1. Controledinâmico. 2. Realimentação dosestados. 3. Pênduloinvertido.
4. Controlador lógicoprogramável (Clp). 5. Software(Scada)sistemadesupervisão
eaquisição dedados.

”Quandopassares pelas águasestarei contigo,equandopelos rios,eles nãotesubmergirão;
quandopassares pelo fogo,não tequeimarás,nema chamaarderá em ti." (Isaías43:2)
"A Deus pelo seu imensurável amor e fi-
delidade, por ser minha retaguarda e meu
lugar seguro e por dar sentido ao meu vi-
ver."’
OFEREÇO.
À minhafamília,emespecial àminha
esposa Evanil, aos meus filhos Rafael
e Naara, por todo amor, apoio, confi-
ança e incentivo em todos os momen-
tos.
DEDICO.
AGRADECIMENTOS
Meus agradecimentos a todos os familiares, amigos, professores e funcionários da FEIS-
UNESP,quediretaouindiretamentecontribuíramparaarealizaçãodestetrabalho. Emespecial,
dedicomeusagradecimentos:
• O DEUS todo poderoso por todas as dádivas que nos são oferecidas diariamente, nas
quaisincluooamor, paz, saúdeeconhecimento;
• À minha esposa Maria Evanil e meus filhos Rafael e Naara pelo amor, compreensão,
apoioeforçaem minhasbatalhas;
• Àigreja quetem oradoportodosospovosparasalvação emCristo Jesus;
• Ao Prof. Dr. Marcelo C. M. Teixeira, por todo ensinamento, incentivo, confiança e
orientação;
• Ao Prof. Dr. Jean Marcos de Souza Ribeiro, pelo acompanhamento nas montagens,
sugestõeseincentivo;
• À direção do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato Grosso
peloapoiopara realização do mestrado;
• AostécnicosAdilson,Aderson,Chaves,EveraldoeHidemassa,queparticiparamsem-
predetododesenvolvimentodapesquisa.
• Aos professores do Departamento de Eletroeletrônica do IFMT que de forma direta
ouindiretacontribuírampararealização domestrado;
• Aosalunosdasdisciplinas: AutomaçãoIndustrial,ControladorLógicoProgramávelque
contribuíramcom desenvolvimentodestetrabalhodemestrado;
• Aos amigos do SENAI-MT, que me proporcionaram por 15 anos conhecimento em au-
tomaçãoindustrialpara escreverestadissertação.
“Umpouco deciêncianosafastadeDeus. Muito,nos aproxima.”
Louis Pasteur(1822-1895)
RESUMO
O objetivoprincipaldestadissertaçãofoi aconstrução deumpênduloinvertidodebaixocusto,
com partes de uma impressora matricial, para ser utilizado no estudo de sistemas de controle.
Após esta construção, foi obtido um modelo matemático linearizado desse sistema. Tam-
bém, com base em experimento, realizado no laboratório, incluindo a obtenção da resposta
em frequência, foram determinadas as funções de transferência do sistema. Em seguida fo-
ram projetados controladores, considerando o vetor de estado disponível, utilizando-se técnica
de realimentação dos estados. Após a simulação do sistema controlado no software Matlab,
essecontroladorfoi implementadoem umCLP e utilizadoumsoftwareSCADA. Então,foram
registradososresultadosexperimentaisdessesistemadecontrolenolaboratório,osquaisapre-
sentaram boa correlação com os resultados obtidos nas simulações. Esse estudo pode ser útil
para aplicações didáticas, pois apresenta baixo custo e emprega equipamento CLP e software
SCADA, aplicadoslargamentenaindústria.
Palavras-chave: Controle dinâmico. Realimentação dos estados. Pêndulo invertido. Con-
trolador lógico programável (CLP). Software (SCADA) Sistema de supervisão e aquisição de
dados.
ABSTRACT
The main aim of this dissertation was to build a low cost inverted pendulum with parts of ma-
tricial printers, for the study of control systems. After that, a linear mathematical modeling of
thissystemswasobtained. Then,basedonexperimentsatthelaboratory,incluingthefrequency
response,thetransferfunctionsoftheinvertedpendulumwereobtained. Consideringthertrans-
fer functions and supposing that the state vector is available, a controller was designed based
on the pole placement control design method. The designed controller was implemented in a
ProgrammableLogicController(PLC),usingthesoftwareSCADA.Thisstudycanbeusefulin
didatic applications, because the proposed procedure presents low cost and uses device (PLC)
andsoftware(SCADA) broadly usedinindustries.
Keywords: Dynamic control. Feedback states. Inverted pendulum. Programmable logic con-
troller(PLC). Software(SCADA) System monitoringand dataacquisition.
LISTA DE FIGURAS
Figura1 Montagemdo sistemapênduloinvertidoemlaboratório. . . . . . . . . 21
Figura2 PlantadopênduloinvertidoesistemadecontrolecomCLP . . . . . . 23
Figura3 Elementoscomponentesdosistemapênduloinvertido. . . . . . . . . . 23
Figura4 Vistasuperiordo trilhodocarro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura5 Coordenadas dosistemapênduloinvertido. . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura6 Detalhesdamontagemdocarro ehaste. . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura7 Coordenadas dosistemapênduloconvencional. . . . . . . . . . . . . 32
Figura8 Curvasdarespostaemfrequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figura9 Disposiçãodahasteparao levantamentodosparâmetros dosistema. . 43
Figura10 Deslocamentodahastedo pênduloconvencional. . . . . . . . . . . . 44
Figura11 Curvasdarespostaemfrequência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura12 Sistemademalhafechada com realimentaçãonegativa. . . . . . . . . 48
Figura13 Curvademóduloem dBcomassíntodasedeângulodefase. . . . . . 49
Figura14 Bancada experimentalpara análisedarespostaem frequência. . . . . . 50
Figura15 Esboçoparacoletadedadospara ocarro. . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Figura16 DiagramadeBode doensaio doconjunto. . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figura17 DiagramadeBodedoensaiodoconjunto,comfrequêncianormalizada
(u= ω). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
ω
n
Figura18 Plantacompletadosistemapênduloinvertido . . . . . . . . . . . . . 55
Figura19 ModeloparaplantasimuladanoMatlab. . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura20 Resultadosdasimulaçãoparareferência senoidal. . . . . . . . . . . . 59
Figura21 Resultadosdasimulaçãoparareferência degrau. . . . . . . . . . . . . 60
Figura22 Telaprincipaldaaplicação desenvolvidaem softwareSCADA. . . . . 61