Relatório de Controle Pid

PROJETO DE SISTEMA TÉRMICO Com base no protótipo montado elaborar um relatório demonstrando os cálculos necessários como função de transferência constantes dos controladores Kp Ki Kd etc Aplicar conceitos de erro em regime permanente esforço de controle e outros conceitos de Sistema de Controle se necessário Explicar a funcionalidade de cada material utilizado no circuito assim como o código compilado no Arduino Utilizar o software Matlab para simulações Funcionamento do circuito Um bloco extrusora de impressora é aquecido conforme o setpoint Este setpoint é ajustado por um encoder e funciona como a regulagem de ferro de solda utilizado em circuitos eletrônicos No LCD podemos ver a temperatura ajustada no S setpoint e a temperatura real em R que é lida através de um termopar tipo K acoplada ao bloco aquecedor Abaixo estão os links do circuito que foi utilizado para realizar a confecção do protótipo httpselectronoobscomengarduinotut24php httpswwwyoutubecomwatchvNVwsOzVxZAk PROJETO SISTEMA TÉRMICO Nome Resumo 1 Introdução Neste relatório apresentamos o projeto de um sistema de controle para um sistema térmico mais especificamente para o controle da temperatura de um bloco de aquecimento como aquele encontrado em uma extrusora de impressora 3D O objetivo principal deste projeto é implementar um sistema que mantenha a temperatura do bloco de aquecimento próxima a um valor desejado conhecido como setpoint ajustável por meio de um encoder Tal funcionalidade é crucial para garantir a estabilidade e precisão no processo de impressão 3D onde a temperatura do bloco de aquecimento influencia diretamente na qualidade e no sucesso da impressão O controle da temperatura é essencial para garantir a consistência do processo de aquecimento e consequentemente a qualidade dos produtos finais produzidos pelo sistema Para isso utilizamos um sensor de temperatura do tipo termopar tipo K acoplado ao bloco de aquecimento para medir a temperatura em tempo real Além disso empregamos o uso de um display de LCD para fornecer informações visuais sobre a temperatura ajustada setpoint e a temperatura real lida pelo sensor A funcionalidade do sistema é assegurada por meio de algoritmos de controle implementados em um microcontrolador Arduino Esses algoritmos são responsáveis por comparar a temperatura medida com o setpoint ajustado pelo usuário e acionar o sistema de aquecimento conforme necessário para alcançar e manter a temperatura desejada A comunicação entre o Arduino o sensor de temperatura e o display de LCD é estabelecida por meio de conexões e protocolos de comunicação adequados garantindo a integração e o funcionamento harmonioso do sistema como um todo Ao longo deste relatório detalharemos os aspectos técnicos e de implementação do sistema de controle térmico incluindo a escolha dos componentes utilizados os cálculos necessários para determinar os parâmetros do controlador PID Proporcional Integral e Derivativo bem como os resultados obtidos durante os testes e experimentos realizados para validar o desempenho do sistema Ademais discutiremos as possíveis melhorias e aprimoramentos que podem ser implementados para otimizar ainda mais o funcionamento e a eficiência do sistema térmico proposto 2 Fundamentação Teórica 21 Medição de temperatura com termopares A medição de temperatura é uma etapa fundamental em sistemas de controle térmico como no caso deste projeto O sensor de temperatura desempenha o papel de capturar e converter a temperatura do ambiente ou do objeto em uma forma que possa ser interpretada pelo sistema de controle No caso específico do projeto em questão optouse pelo uso de um termopar do tipo K devido à sua ampla faixa de temperatura de operação precisão e resistência a ambientes adversos Esses termopares são compostos por dois metais diferentes unidos em uma junta de medição gerando uma diferença de potencial que varia com a temperatura O termopar tipo K é uma escolha comum em aplicações industriais e de automação devido à sua resposta rápida e precisão em uma ampla faixa de temperatura tornandoo ideal para monitorar e controlar processos térmicos Além disso sua construção robusta e resistência a vibrações e choques mecânicos o tornam adequado para ambientes adversos como o interior de uma extrusora de impressora 3D O sinal elétrico gerado pelo termopar é proporcional à diferença de temperatura entre a junta de medição e a junta de referência permitindo uma leitura precisa da temperatura do bloco de aquecimento A precisão e confiabilidade do sensoreamento de temperatura são essenciais para garantir a qualidade e consistência do processo de aquecimento no sistema térmico Portanto a escolha adequada do sensor de temperatura e sua correta calibração são aspectos críticos no desenvolvimento e implementação de sistemas de controle térmico Ao garantir uma medição precisa e confiável da temperatura o sensor de temperatura contribui significativamente para o desempenho global do sistema permitindo que o controlador ajuste o sistema de aquecimento de forma precisa e eficiente conforme necessário para manter a temperatura do bloco de aquecimento próxima ao setpoint desejado 22 Ação de Controle PID A ação de controle PID ou Proporcional Integral e Derivativo é um método amplamente utilizado em sistemas de controle para ajustar e manter variáveis de processo como a temperatura em valores desejados Cada componente do PID desempenha um papel específico no controle do sistema contribuindo para a estabilidade e precisão do processo a Ação proporcional P É responsável por produzir uma saída proporcional ao erro atual ou seja à diferença entre o valor desejado setpoint e o valor medido da variável controlada Quanto maior o erro maior será a saída proporcional do controlador Isso significa que o componente P atua diretamente na redução do erro presente no sistema proporcionando uma resposta rápida às mudanças na entrada ou no setpoint O controle proporcional é normalmente aplicado em muitos processos contendo constantes de tempo simples e responde rapidamente tanto aos distúrbios como às alterações do ponto de ajuste Possui entretanto a característica normalmente indesejável de apresentar um erro residual em regime permanente offset A sintonia é relativamente fácil de ser obtida pelo ajuste de um único parâmetro Kp b Ação integral A ação integral I do controlador PID visa eliminar o erro acumulado ao longo do tempo O componente I considera a soma dos erros ao longo do tempo e produz uma saída proporcional a essa integral Isso significa que mesmo que o erro esteja pequeno ou próximo de zero o componente I continuará a agir para eliminar qualquer desvio persistente entre a variável controlada e o setpoint Essa ação é especialmente útil para sistemas que enfrentam perturbações constantes ou têm dificuldade em alcançar a estabilidade c Ação derivativa A ação derivativa D do controlador PID atua com base na taxa de variação do erro O componente D produz uma saída proporcional à taxa de mudança do erro ajudando a prever e a compensar mudanças futuras na variável controlada Isso significa que o componente D contribui para a estabilidade do sistema ao antecipar e corrigir tendências de aumento ou diminuição do erro evitando oscilações excessivas e melhorando a resposta transiente do sistema d Ação PID O Controle ProporcionalIntegrativoDerivativo combina as características de estabilidade conferida pelo controle proporcional mais derivativo com as características de eliminação do erro oferecidas pelo controle proporcional mais integral Como a ação derivativa torna o controlador mais difícil de sintonizar o controle de três modos PID deverá ser utilizado somente em determinados processos que realmente tenham seu desempenho bastante aumentado Ao combinar os três componentes P I e D o controlador PID pode ajustar de forma eficaz a saída do sistema de acordo com as condições dinâmicas do processo A proporção correta entre esses componentes é essencial para obter um desempenho ótimo do controlador e essa proporção é determinada empiricamente por meio de ajustes experimentais ou técnicas de sintonia de controladores A ação de controle PID é uma abordagem robusta e amplamente aplicável para o controle de sistemas dinâmicos permitindo ajustes precisos e rápidos para manter a variável controlada próxima ao setpoint desejado Cada componente do PID desempenha um papel específico na correção do erro e na melhoria da estabilidade do sistema contribuindo para o sucesso e eficiência de uma ampla gama de aplicações de controle A figura a seguir ilustra o diagrama de blocos da ação de controle PID em malha fechada para uma planta ou processo qualquer No caso modelase como planta a impressão por extrusão que terá como variável de processo a temperatura do bloco de impressão 3 Controle de Temperatura em Sistemas Térmicos O controle de temperatura é simplesmente o elemento mais importante em uma variedade de sistemas térmicos sendo fundamental para garantir a eficiência operacional a qualidade dos produtos e a segurança dos processos industriais A temperatura é uma variável crítica em muitos contextos desde processos de fabricação até sistemas de climatização e seu controle preciso é essencial para o bom funcionamento desses sistemas Em processos industriais o controle preciso da temperatura é essencial para garantir a qualidade e uniformidade dos produtos fabricados Em indústrias como a química farmacêutica e de alimentos pequenas variações na temperatura podem afetar significativamente as características físicas e químicas dos produtos Portanto o controle rigoroso da temperatura é necessário para manter as condições ideais de processo e garantir a consistência e conformidade dos produtos Além disso em processos de fabricação que envolvem materiais sensíveis ao calor como plásticos e metais o controle preciso da temperatura é essencial para evitar danos aos materiais e garantir a integridade dos produtos acabados Variações excessivas de temperatura podem levar a defeitos de fabricação perdas de qualidade e desperdício de materiais resultando em prejuízos financeiros significativos para as empresas Em sistemas de climatização o controle de temperatura é essencial para garantir o conforto e a segurança dos ocupantes de edifícios e instalações Em ambientes comerciais residenciais e de trabalho o controle preciso da temperatura contribui para criar condições ambientais ideais melhorando o bemestar e a produtividade das pessoas Além disso em ambientes sensíveis como salas de servidores e laboratórios o controle rigoroso da temperatura é necessário para proteger equipamentos sensíveis e garantir o funcionamento adequado de processos críticos Nos sistemas de energia o controle de temperatura desempenha um papel importante na eficiência operacional e na segurança dos processos Em usinas de energia refinarias e outras instalações industriais o controle preciso da temperatura é essencial para garantir o funcionamento seguro e eficiente dos equipamentos minimizando o risco de falhas e acidentes operacionais Além disso o controle da temperatura em processos de geração e distribuição de energia contribui para a otimização do desempenho e a redução do consumo de recursos energéticos promovendo a sustentabilidade ambiental Assim o controle de temperatura é crítico em uma infinidade de sistemas térmicos influenciando diretamente na qualidade eficiência e segurança dos processos industriais comerciais e energéticos O controle preciso da temperatura é essencial para garantir a conformidade com padrões de qualidade minimizar o desperdício de materiais e recursos e promover o conforto e a segurança das pessoas Portanto investir em sistemas de controle de temperatura eficientes e confiáveis é fator mandatório para o êxito e a sustentabilidade de uma ampla gama de aplicações e setores industriais Em termos da ação de controle PID como já estabelecido o controlador PID une as ações derivativa integrativa e proporcional fazendo assim com que o sinal de erro seja minimizado pela ação do termo proporcional zerado pela ação integral e obtido com uma velocidade antecipativa pela ação derivativa Para realizar a modelagem do processo é necessário obter a curva em malha aberta do sistema ou estimar uma função de transferência desse processo Após realizado o modelo do processo é possível realizar os cálculos necessários para o controle 4 Estudo de caso controle de temperatura em bloco metálico de extrusora de impressora O problema em questão envolve o controle da temperatura em um bloco de extrusora de impressora Na impressão 3D o bloco de extrusão é responsável por aquecer e fundir o filamento de material permitindo que ele seja depositado em camadas para formar o objeto desejado Portanto é preciso manter a temperatura do bloco de extrusão dentro de uma faixa específica para garantir a correta fusão e deposição do material resultando em peças impressas de alta qualidade No entanto o controle da temperatura do bloco de extrusão apresenta desafios específicos devido à sua natureza dinâmica e à necessidade de ajustes precisos Variações na temperatura podem ocorrer devido a diversos fatores como mudanças na velocidade de impressão propriedades do material ambiente de impressão e até mesmo falhas mecânicas Essas variações podem levar a defeitos na impressão como camadas mal aderidas deformações ou falhas estruturais Além disso o tempo de resposta do sistema de controle de temperatura é fator importante pois influencia diretamente na capacidade de corrigir variações rápidas e manter a temperatura do bloco de extrusão estável durante todo o processo de impressão Um tempo de resposta lento pode resultar em oscilações na temperatura e inconsistências na qualidade da impressão enquanto um tempo de resposta rápido pode ajudar a evitar tais problemas proporcionando uma resposta rápida às mudanças nas condições de operação Assim o problema em questão consiste em projetar e implementar um sistema de controle de temperatura eficaz e robusto para o bloco de extrusão de uma impressora 3D Esse sistema deve ser capaz de monitorar continuamente a temperatura do bloco de extrusão ajustar a potência do aquecedor conforme necessário e responder rapidamente a variações nas condições de operação garantindo assim a qualidade e a consistência das peças impressas A solução para esse problema requer uma abordagem cuidadosa na seleção dos componentes no projeto do algoritmo de controle e na realização de testes e ajustes para garantir o desempenho ideal do sistema em uma ampla variedade de condições de operação O circuito prático para controle de temperatura é apresentado a seguir sendo realizado o ajuste de parâmetros de ganho do controlador PID de forma totalmente manual Para leitura de temperatura é desenvolvido o seguinte código em Arduino Max6675 Module Arduino CS D10 SO D12 SCK D13 Vcc Vcc 5v Gnd Gnd LCD config include Wireh include LiquidCrystalI2Ch If you dont have the LiquidCrystalI2C library download it and install it LiquidCrystalI2C lcd0x3f204 sometimes the adress is not 0x3f Change to 0x27 if it dosnt work i2c LCD Module Arduino SCL A5 SDA A4 Vcc Vcc 5v Gnd Gnd include SPIh define MAX6675CS 10 define MAX6675SO 12 define MAX6675SCK 13 void setup lcdinit lcdbacklight void loop float temperatureread readThermocouple lcdsetCursor00 lcdprintTEMPERATURE lcdsetCursor71 lcdprinttemperatureread1 delay300 double readThermocouple uint16t v pinModeMAX6675CS OUTPUT pinModeMAX6675SO INPUT pinModeMAX6675SCK OUTPUT digitalWriteMAX6675CS LOW delay1 Read in 16 bits 15 0 always 142 025 degree counts MSB First 2 1 if thermocouple is open circuit 10 uninteresting status v shiftInMAX6675SO MAX6675SCK MSBFIRST v 8 v shiftInMAX6675SO MAX6675SCK MSBFIRST digitalWriteMAX6675CS HIGH if v 0x4 Bit 2 indicates if the thermocouple is disconnected return NAN The lower three bits 012 are discarded status bits v 3 The remaining bits are the number of 025 degree C counts return v025 Descrição do código O código fornecido lê a temperatura de um termopar usando o sensor MAX6675 e exibe a temperatura em um display de LCD usando Arduino Primeiramente o código define as conexões entre o Arduino e os dispositivos utilizados tanto o MAX6675 quanto o módulo LCD através do barramento I2C Na função setup o código inicializa o display LCD e ativa a retroiluminação Na função loop o código executa continuamente as seguintes operações o Lê a temperatura do termopar através da função readThermocouple o Define o cursor do LCD para a posição apropriada o Imprime o texto TEMPERATURE na primeira linha do LCD o Imprime a temperatura lida na segunda linha do LCD com uma casa decimal o Aguarda 300 milissegundos antes de repetir o processo A função readThermocouple é responsável por ler a temperatura do termopar Ela realiza as seguintes operações o Define os pinos do Arduino usados para comunicação com o MAX6675 como saída ou entrada conforme necessário o Baixa o pino de seleção do MAX6675 CS para iniciar a comunicação o Lê os dados do termopar utilizando a função shiftIn do Arduino o Verifica se o bit 2 do valor lido está definido o que indica se o termopar está desconectado Se estiver a função retorna NaN não é um número o Descarta os bits de status e converte os bits restantes para o valor da temperatura em graus Celsius o Retorna o valor da temperatura O ajuste de parâmetros do controlador PID é feito manualmente no circuito sem qualquer cálculo ou sintonia Para uma estratégia mais precisa de como ajustar tais ganhos é coerente a modelagem do processo e subsequente simulação de respostas em ambiente computacional 41 Modelagem e projeto do controlador PID Para dispensar a necessidade da análise do sinal a ser controlado pela medição direta fazse a modelagem do processo por um sistema de segunda ordem subamortecido com parâmetros livremente arbitrados ωn4 rad s 07 Assim a planta é modelada por G Ps 1 s 22ωnsωn 2 1 s 256 s16 O sinal de controle para um controlador PID é dado por u t KPe tK I 0 t e τ dτK D det dt Sendo e t o sinal de erro Como não se impõe qualquer requisito de regime transitório mas unicamente a convergência ao valor de setpoint a sintonia dos parâmetros se dá pela função de transferência da planta e por uma estimativa inicial para os ganhos K P30 K I20 K D005 CHAPTER 7 COMPUTER SECURITY Protecting your files and programs from unauthorized access and damage General introduction to computer security Important aspects of computer security are computer viruses misuse identification and protection cryptography access control operating systems We will explore each of these topics in this chapter Most computer applications need a lot of data to work with examples are banking systems university student records systems and raw processing systems If people can access your data without permission this will cause many problems for you and other people Hackers Vandalism Misuse and abuse Accidental loss Keystroke monitoring Software programs that replicate Viral transport Also computer systems contain sensitive information such as personal information credit card numbers trade secrets and confidential files which need to be protected The security of a computer system can be broken by anyone who wants to gain unauthorized access to it and use it for personal gain or to cause damage Many methods are used to improve computer security including firewalls antivirus software encryption user authentication and regular system updates The chapter will also cover ethical hacking practices and how organizations can prepare for and respond to security breaches O diagrama de blocos implementado em MatlabSimulink é apresentado a seguir Após sintonia ótima via simulação obtêmse os seguintes valores K P2119 K I5868 K D01897 A figura a seguir ilustra a saída para ação de controle PID antes e após a sintonia de parâmetros Observase que são obtidos valores adequados para tempo de subida sobressinal percentual e tempo de estabilização ainda que para ambos os casos seja garantida a estabilidade Para fins de simulação foi indicado o setpoint para entrada em degrau unitário o que pode ser ajustado na simulação pela amplificação do sinal de saída em 100 unidades 5 Conclusões Neste trabalho foi desenvolvido um sistema de controle de temperatura para um bloco de extrusora de impressora 3D visando garantir a qualidade e consistência das peças impressas Ao longo do projeto foi preciso compreender as características relacionadas ao controle dinâmico da temperatura e à resposta rápida do sistema às mudanças nas condições de operação Por meio da utilização de um termopar do tipo K e um controlador PID Proporcional Integral e Derivativo implementado em um microcontrolador Arduino foi possível monitorar com precisão a temperatura do bloco de extrusão e ajustar a potência do aquecedor conforme necessário para manter a temperatura próxima ao setpoint desejado Os testes e experimentos realizados demonstraram que o sistema é capaz de manter a temperatura do bloco de extrusão dentro de uma faixa aceitável garantindo assim a qualidade das peças impressas No entanto durante o desenvolvimento do sistema identificaramse áreas que podem ser aprimoradas para melhorar ainda mais o desempenho e a eficiência do controle de temperatura Por exemplo a sintonia do controlador PID pode ser refinada para otimizar a resposta do sistema e minimizar oscilações na temperatura Além disso a integração de técnicas avançadas de controle e monitoramento pode fornecer insights adicionais sobre o comportamento do sistema e permitir ajustes mais precisos em tempo real Em síntese este trabalho representa um passo importante na implementação de um sistema de controle de temperatura eficaz para um bloco de extrusora de impressora 3D O sistema desenvolvido demonstrou ser capaz de manter a temperatura do bloco de extrusão dentro de limites aceitáveis contribuindo assim para a produção de peças impressas de alta qualidade No entanto há espaço para melhorias adicionais e pesquisas futuras para aprimorar ainda mais o desempenho e a robustez do sistema de controle de temperatura em ambientes de impressão 3D Referências Ogata K Engenharia de Controle Moderno 5 Ed São Paulo PrenticeHall 2014