Projeto e Simulação de Controlador de Temperatura PID para Aquecimento de Água

CONTROLADOR DE TEMPERATURA O projeto destacase pelo projeto e simulação com base em componentes e circuitos elétricos e eletrônicos para modelagem cálculo visualização e mensuração dos fenômenos físicos que ocorrem no aquecimento de um líquido O aparato deverá ser simulado com vistas a controlar os parâmetros de temperatura da água Simular os circuitos eletrônicos fundamentando seu funcionamento o circuito deverá apresentar isolamento elétrico necessário a manter o nível de segurança contra choques apresentação de todo o circuito para o aquecimento de água e seu diagrama de blocos ESPECIFICAÇÕES O sistema deverá apresentar 1 o volume de 2 dois litros de água 2 resistência elétrica com potência de até 6 kW e tensão de 127 V ou 220 V escolher apenas um dos níveis de tensão 3 Sistema de controle P PI PD ou PID com interface com sistema de potência set point de temperatura deverá ser possível variar entre 50 e 70C via potenciômetro ou chave etc 4 tensão de alimentação da resistência deve ser 127 V ou 220 V 5 devese alcançar a temperatura selecionada em até 2 minutos 6 deverão ser utilizados somente componentes eletrônicos discretos Exceções FlipFlop transformador temporizador conversor AD portas lógicas básicas display e amplificador operacional etc Demais casos ficarão a critério do fica proibido o uso de microcontroladores Objetivo Introdução teórica Materiais utilizados e justificativas para a utilização Relação de materiais e seus custos Circuitos elétricos e eletrônicos utilizados descritos e ilustrados Modelos elétricos do sistema envolvido diagrama de blocos Simulações executadas Explicação do funcionamento UNIVERSIDADE ALUNO CONTROLE DE TEMPERATURA PID DE UM TANQUE COM VOLUME DE 2 LITROS DE ÁGUA CIDADE ANO 1 INTRODUÇÃO Os Controladores PID Proporcional Integral e Derivativo são uma das ferramentas mais importantes e versáteis no campo do controle automático Eles são amplamente utilizados em sistemas industriais robóticos eletrônicos e muitas outras aplicações para garantir que a variável controlada permaneça próxima do valor desejado apesar de perturbações e mudanças no ambiente 11 Conceito e Funcionamento dos Controladores PID O controlador PID combina três termos principais para calcular o sinal de controle a ser aplicado ao sistema em análise Termo Proporcional P Representado pela letra Kp o termo proporcional é responsável por gerar um sinal de controle proporcional ao erro atual entre o valor desejado r e a variável controlada y Termo Integral I Representado pela letra Ki o termo integral é utilizado para eliminar erros em regime permanente corrigindo desvios acumulados ao longo do tempo A ação integral é calculada pela seguinte fórmula Termo Derivativo D Representado pela letra Kd o termo derivativo leva em consideração a taxa de mudança do erro ao longo do tempo o que é útil para melhorar a resposta transitória do sistema e evitar oscilações excessivas A ação derivativa é calculada pela seguinte fórmula 12 Sintonia dos Parâmetros PID A sintonia dos parâmetros PID é um processo crucial para obter um desempenho ótimo do sistema controlado Diferentes métodos de sintonia podem ser utilizados como o método de ZieglerNichols o método de CohenCoon o método de sintonia por resposta em frequência entre outros 13 Aplicações dos Controladores PID Os controladores PID têm uma ampla variedade de aplicações em sistemas de controle incluindo Controle de Temperatura Utilizado em sistemas de aquecimento resfriamento e climatização para manter a temperatura em um valor desejado Controle de Velocidade em Motores Controla a velocidade de motores elétricos em máquinas industriais robótica e automóveis Controle de Nível de Líquidos Controla o nível de líquidos em tanques e reservatórios Controle de Posição Utilizado em sistemas de posicionamento em robótica e sistemas de movimentação 14Conceitos Fundamentais dos Sistemas de Controle Um sistema de controle consiste em três elementos principais a planta o controlador e o feedback A planta é o sistema físico que será controlado o controlador é o componente responsável por calcular o sinal de controle e o feedback é o mecanismo que fornece informações sobre o desempenho atual do sistema A figura abaixo ilustra a estrutura básica de um sistema de controle em malha fechada Estrutura de um Sistema de Controle em Malha Fechada 141 Tipos de Sistemas de Controle Os sistemas de controle podem ser classificados em duas categorias principais controle em malha aberta e controle em malha fechada 1411 Controle em Malha Aberta No controle em malha aberta o sinal de controle não é influenciado pelo desempenho atual do sistema ou seja não há feedback para corrigir eventuais desvios entre a variável controlada e o valor desejado Essa abordagem é adequada para sistemas simples e bem conhecidos em que as perturbações são previsíveis e pouco influentes no resultado final 1412 Controle em Malha Fechada No controle em malha fechada o sistema utiliza um feedback para medir a diferença entre o valor desejado e o valor real da variável controlada Com base nessa diferença o controlador calcula e aplica o sinal de controle necessário para corrigir qualquer desvio tornando o sistema mais robusto e preciso mesmo diante de perturbações imprevistas 1413 Aplicações dos Sistemas de Controle Os sistemas de controle têm inúmeras aplicações em diversas áreas da engenharia e da tecnologia Alguns exemplos incluem Controle de Processos Industriais Utilizado para controlar variáveis como temperatura pressão e nível em processos industriais complexos Controle de Robôs e Veículos Autônomos Garante que robôs e veículos autônomos alcancem seus objetivos de forma precisa e segura Eletrônica e Telecomunicações Controla o funcionamento de dispositivos eletrônicos como amplificadores e transmissores para otimizar o desempenho Sistemas de Energia Controla a geração distribuição e consumo de energia elétrica em sistemas de energia elétrica 2 OBJETIVO Realizar o controle PID de um tanque dágua cujo volume é de 2 litros de modo que o sistema atinja o set point desejado em no máximo 2 minutos 3 MATERIAIS UTILIZADOS Para realizar do projeto foram utilizados somente elementos analógicos sendo eles amplificadores operacionais resistores relé bem como fontes de tensão DC 4 METODOLOGIA Para implementação do controlador PID utilizouse o diagrama de blocos da figura XX A implementação do PID deuse com base em amplificadores operacionais 741 o módulo de potência utilizado foi o driver composto por 2 transistores na configuração boost Para acionar a resistência de 220 V optouse pela utilização de um transistor no modo chave onde de acordo com o valor da corrente de base acionase o relé que por sua vez liga a resistência 5 SIMULAÇÃO Figura 1 Simulação do Circuito no Proteus Figure 2 Especificação de cada parte do sistema 6 FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO I O Ajuste do set point é dado de acordo com a posição do potenciômetro RV2 variando assim de 50C a 70C considerando que a variação de 10mVC II O sensor LM35 tem como função medir a temperatura do tanque de água III Antes da entrada do PID temse um buffer seguidor cujo objetivo é estabilizar o sinal IV O PID faz o ajuste de acordo com os parâmetros erro em regime permanente de 3 tendo em vista que foram utilizados apenas componentes analógicos V Após o circuito de controle do PID o sinal é enviado ao drive de potência que tem como objetivo aumentar o ganho de corrente para que o transistor Q3 possa realizar o acionamento da resistência VI Para simular a resistência foi colocado um motor 7 ANÁLISE DOS RESULTADOS O gráfico abaixo mostra a simulação do sistema para uma entrada em degrau o erro em regime permanente está adequado para o que fora proposto de 3 o tempo de estabilização do sistema está em pouco mais de 2 minutos dentro da tolerância aceitável de 5 8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Dazzo JJ Houpis C H Análise de Projeto de Sistemas de Controle Lineares 2a Edição Editora Guanabara 1984 Nise N S Engenharia de Sistemas de Controle 3a Edição LTC 2002 Dorf R C Bishop R H Sistemas de Controle Moderno Addison Wesley Longman 8a Edição 2001 Ogata K Engenharia de Controle Moderno PrenticeHall 4ª ed 2004 Kuo BC Automatic Control Systems 7th Edition Prentice Hall 1995