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B. Engenharias - 1. Engenharia - 8. Engenharia Elétrica

CONSTRUÇÃO DE PROTÓTIPO DIDÁTICO PARA ENSINO E PESQUISA: PÊNDULO ROTACIONAL

Eliomar Azevedo do Carmo 1 (eacarmo571@yahoo.com.br), Marcus Ciro Martins Gomes 1, Rafael Suzuki Bayma 1, Max Rothe-Neves 1 e Orlando Fonseca Silva 1

(1. Depto. de Engenharia Elétrica e Computação, Universidade Federal do Pará - UFPA)

INTRODUÇÃO: Neste trabalho são descritas as principais etapas construtivas de um protótipo didático do tipo “Pêndulo Rotacional”, para ser utilizado como um instrumento de ensino e pesquisa em disciplinas relativas à engenharia de controle e identificação de sistemas. O equipamento consiste de um pêndulo acoplado à extremidade de um braço que pode girar livremente em torno do eixo de um motor de corrente contínua. O protótipo concede aos alunos a oportunidade de aprofundar seus conhecimentos realizando experiências. Em um primeiro momento a construção complementa a formação de alunos de graduação, por envolver conhecimentos diversos como automação, eletrônica, programação e instrumentação. Em um segundo momento coloca-se à disposição um equipamento de custo reduzido que pode ser utilizado como elemento motivador em pesquisa e ensino.

METODOLOGIA: O desenvolvimento consistiu dos seguintes passos: modelagem matemática da planta (obtenção de equações de estado), com auxílio de uma ferramenta de processamento simbólico; estudo e adequação do hardware para aquisição de dados, baseado em componentes eletrônicos simples e o microcontrolador PIC16F877; montagem dos elementos mecânicos; elaboração de um ambiente (software) para comunicação com a planta; levantamento experimental dos parâmetros do sistema. Objetivando-se o controle do protótipo em modo invertido (pêndulo invertido rotacional), passou-se, posteriormente, a uma etapa de estimação de modelos dinâmicos da planta. Foi observado, através da inspeção das equações teóricas, que há a possibilidade de projeto de controladores para o modo invertido através do modelo de estados contínuos para o modo não-invertido. Diversos ensaios foram realizados para a estimação de parâmetros. Métodos baseados em regressão linear e não-linear foram estudados e adaptados para as necessidades da estimação.

RESULTADOS: A primeira versão do protótipo foi concebida através de um pacote que compreende a estrutura física da planta, hardware e software para aquisição de dados e controle. Alguns problemas ainda são observados com relação à medição de determinadas variáveis, basicamente caracterizados por ruído. A interface com o usuário é bastante amigável, oferecendo diversas funcionalidades para o aluno usuário, dentre elas, excitação de diversos tipos e controle baseado em realimentação de estados e modelos de entrada-saída. Os resultados preliminares da identificação forneceram resultados que ainda precisam ser melhor interpretados. O modelo não-linear permitiu uma representação razoável da dinâmica do protótipo, embora ainda precise ser aprimorado. A principal vantagem do método utilizado é a interpretação dos parâmetros, uma vez que o ajuste foi realizado para que possuíssem significado físico bem definido.

CONCLUSÕES: Embora considerado bem sucedido, o trabalho ainda permite explorar diversos pontos de melhoria. De fato, o produto maior pode ser considerado o protótipo, que representa mais uma ferramenta de apoio ao ensino. Uma versão mais aprimorada livre de problemas de medição, abriria horizontes para melhor explorar campos como controle não-linear e inteligente, além de complementar alicerces como controle linear. Diversos alunos, em particular do grupo PET Engenharia Elétrica da UFPA, têm conduzido o processo de melhoria, direcionando-o para três focos: redução dos erros de medição, aprofundamento das técnicas de identificação e projeto de controladores para os diferentes modos de funcionamento. Espera-se que, como elemento fomentador à pesquisa, o Pêndulo Rotacional possa contribuir de forma mais positiva para a formação de alunos na área de Sistemas de Controle.

Instituição de fomento: Universidade Federal do Pará

Palavras-chave:  protótipo didático; ensino e pesquisa; pêndulo rotacional.

Anais da 57ª Reunião Anual da SBPC - Fortaleza, CE - Julho/2005