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Controlador PID para sistemas de irrigação

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Trabalho Final de Curso: Controlador PID para sistemas de irrigação.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SO JOO DEL-REIGRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICA

CONTROLE PID PARA SISTEMAS DE IRRIGAO

Autor: Jhonathan Campos Resende Orientador: Prof. MSc. Samir Angelo Milani Martins

So Joo del-Rei, 17 de dezembro de 2014AGRADECIMENTOS

Agradeo em primeiro lugar a Deus que iluminou o meu caminho durante esta caminhada. Universidade Federal de So Joo del-Rei por me proporcionar uma excelente formao em Engenharia Eltrica. Ao meu orientador Prof. MSc. Samir Angelo Milani Martins por seus ensinamentos, disponibilidade de tempo e material, incentivo e pacincia para me orientar neste trabalho.Ao Prof. MSc. Davidson Lafitte Firmo por seu apoio e imensa boa vontade demonstrada a cada vez que necessitei de sua ajuda.Aos tcnicos administrativos do Laele (Laboratrio de Eletrnica) e do Lacoi (Laboratrio de Controle e Instrumentao), Joo Daniel Nolasco e Alexandre Tavares, respectivamente, por todo o auxlio na realizao deste projeto. Aos meus pais Romeu e Rosane, minhas irms Izabella e Ana Jlia, minha noiva Jssica e a toda minha famlia pelo amor, incentivo e apoio incondicional.E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formao, o meu muito obrigado.

SUMRIO

1. INTRODUO52. REVISO BIBLIOGRFICA72.1. Umidade do solo72.2. Sensor de umidade do solo72.3. Controladores PID82.4. Arduino93. METODOLOGIA113.1. Obteno da curva de calibrao do sensor113.2. Modelagem do sistema113.3. Projeto do controlador143.4. Implementao do controlador143.4.1. Software143.4.2. Hardware144. RESULTADOS174.1. Obteno da curva de calibrao do sensor174.2. Modelagem do sistema184.3. Projeto do controlador204.4. Implementao do controlador215. CONCLUSO226. PROPOSTAS DE TRABALHOS FUTUROS237. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS24ANEXO A - CDIGO FONTE UTILIZADO NO PROJETO26

RESUMO

A economia brasileira foi sensivelmente afetada pela grave crise enfrentada pelo setor agrcola no ano de 2014, causada pela escassez de recursos hdricos. O aperfeioamento dos sistemas de irrigao atualmente utilizados propiciaria economia hdrica nos cultivos, alm de maior eficincia na produo, impulsionando a economia do pas. Dentro desse contexto, o presente trabalho versa acerca do projeto de um controlador PID para sistemas de irrigao, aplicado tanto ao paisagismo quanto agricultura. Basicamente, o sistema composto por uma placa Arduino UNO, responsvel por controlar e monitorar o processo, uma bomba, um sensor de umidade do solo, alm de uma placa de circuito impresso, projetada para atuar no sistema e realizar a interao com o usurio. Nesse documento so descritas ainda as etapas do projeto e os resultados obtidos. Por fim, feita uma avaliao global do trabalho e so apresentadas as concluses extradas do mesmo.

1. INTRODUODurante o ano de 2014 o Brasil passou por uma das maiores crises de escassez de recursos hdricos de sua histria. O consumo irresponsvel e sem fundamentao sustentvel no desenvolvimento econmico, alm da poluio dos rios e mananciais, so fatores relevantes na reduo da disponibilidade de gua potvel no planeta. Um dos setores mais afetados pela escassez de gua a agricultura. Os longos perodos de estiagem afetaram substancialmente a produo do setor nesse ano, sobretudo dos pequenos e mdios produtores, gerando grande impacto no produto interno bruto do pas. A atual conjuntura nos desafia a desenvolver meios de produo que explorem de forma sustentvel os recursos naturais, por exemplo, o aperfeioamento das estratgias de controle dos sistemas de irrigao atualmente empregados, proporcionando maior eficincia na produo do setor agrrio, economia hdrica nos cultivos e, por consequncia, impulsionando a economia. Diante desse contexto, esse trabalho prope um sistema de irrigao automtico utilizando controlador PID, no intuito de auxiliar o produtor rural a aumentar a produo irrigada de alimentos, usando a gua de forma racional e com baixo custo operacional. Alm disso, o modelo desenvolvido pode ser aplicado no paisagismo, mais especificamente na irrigao de plantas em ambientes domsticos, auxiliando quelas pessoas que tem pouco tempo para cuidar de suas plantas a mant-las sempre com a quantidade de gua adequada.O controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) o algoritmo de controle mais utilizado na indstria, devido sua simplicidade funcional e ao seu desempenho robusto para diversas condies de funcionamento. Seus trs coeficientes, proporcional, integral e derivativo, so variados para obteno da resposta ideal.Entretanto, para que o controle ocorra necessrio realizar o sensoriamento do sistema. Os sensores fornecem ao controlador informaes acerca das grandezas envolvidas no processo. O dispositivo de controle, por sua vez, estimula os atuadores a alcanarem o objetivo desejado.Este documento est dividido em seis captulos. O primeiro, Introduo, trata da descrio completa do tema proposto, da motivao do projeto, dos objetivos a serem alcanados, alm desta seo que descreve a organizao do texto. O segundo captulo, Reviso bibliogrfica, traz um estudo dos conceitos tericos inerentes ao projeto, a fim de facilitar a compreenso do leitor. O terceiro captulo, Metodologia, descreve detalhadamente o trabalho realizado, os mtodos analticos e as tcnicas empregadas. No quarto captulo, Resultados, feita uma anlise dos resultados obtidos, com as observaes e comentrios pertinentes. No quinto captulo, Concluses, so apresentadas as principais constataes advindas da discusso dos resultados obtidos com a realizao do trabalho. O sexto captulo, Propostas de trabalhos futuros, traz novos desenvolvimentos que podem ser vislumbrados a partir dos resultados alcanados.

2. REVISO BIBLIOGRFICAA finalidade deste captulo facilitar o entendimento do projeto, estudando os conceitos tericos pertinentes. Embora alguns dos conceitos citados demandem um detalhamento mais extenso do tema para sua total compreenso, visando manter o foco principal, apenas as caractersticas mais relevantes ao projeto sero apresentadas.

2.1. Umidade do soloSegundo o Sistema Brasileiro de Classificao de Solos (SiBCS), (EMBRAPA, 2006), o solo uma coleo de corpos naturais, constitudos de partes slidas, lquidas e gasosas, tridimensionais, dinmicos, formados de material orgnico e mineral. Ocupam a maior parte do manto superficial das extenses continentais do nosso planeta, contm matria viva e podem ser vegetados na natureza, onde ocorrem. Ocasionalmente podem ter sido modificados por atividades humanas. A umidade do solo () um dos elementos mais relevantes no controle dos processos hidrolgicos, visto que exerce influncia na gerao do escoamento superficial, na evaporao do solo, na transpirao das plantas e em uma srie de interaes geogrficas e pedognicas (VILA et al., 2010). definida como a massa de gua () contida em uma amostra de solo dividida pela massa de solo seco (), sendo expressa em quilogramas de gua por quilogramas de solo. Multiplicando-se o resultado da operao por 100, tem-se o valor da grandeza em porcentagem. Dessa forma, temos que .

2.2. Sensor de umidade do soloSegundo FUENTES (2010), sensor um dispositivo que converte uma grandeza fsica de qualquer espcie em outro sinal que possa ser transmitido a um elemento indicador, para que este mostre o valor da grandeza que est sendo medida ou que seja inteligvel para o elemento de comparao de um sistema de controle.A figura 1 ilustra o sensor de umidade do solo utilizado no projeto, modelo YL-69, desenvolvido pela Centenary Materials Co. Este sensor consiste em duas sondas, utilizadas para passar corrente atravs do solo e fazer a leitura da resistncia do mesmo, com o intuito de estimar sua umidade. Possui ainda quatro pinos, sendo um Vcc, que pode ser alimentado com tenses entre 3,3V e 5V, um GND, utilizado como referncia de tenso, e duas sadas, sendo uma digital (D0) e outra analgica (A0). A sada digital assumir nvel lgico alto quando o solo estiver seco e nvel lgico baixo quando o solo estiver mido. A sensibilidade do sensor pode ser ajustada atravs do potencimetro presente nele. Por outro lado, a sada analgica pode assumir qualquer valor, desde que esteja dentro da sua faixa de operao.

Figura 1 - Sensor de umidade de solo utilizado no projeto. Fonte: Centenary Materials Co.

2.3. Controladores PIDDe acordo com OGATA (1993), a introduo de um controlador em um determinado sistema visa a modificao de sua dinmica, manipulando a relao entrada/sada atravs da atuao sobre um ou mais dos seus parmetros, com o objetivo de satisfazer certas especificaes com relao sua resposta. Segundo a National Instruments, o Proporcional-Integral-Derivativo (PID) o algoritmo de controle mais usado na indstria e tem sido utilizado em todo o mundo para sistemas de controle industrial. A popularidade de controladores PID pode ser atribuda em parte ao seu desempenho robusto em uma ampla gama de condies de funcionamento e em parte sua simplicidade funcional, que permite aos engenheiros oper-los de uma forma simples e direta.Como o nome sugere, o algoritmo PID composto por trs coeficientes: proporcional, integral e derivativo, que so variados para obter a resposta ideal.[footnoteRef:1] [1: Explicando a teoria PID. National Instruments, 2011. Disponvel em: . Acesso em: 16/10/2014.]

Um aumento na componente proporcional diminui o erro de estado estacionrio (), porm, em geral, torna o sistema mais oscilatrio, podendo instabiliz-lo. Em suma, melhora o desempenho do sistema em regime permanente, porm piora o transitrio.Por sua vez, o efeito da adio da componente integral conduzir o erro de regime permanente para zero. No entanto, como aumenta a ordem do sistema, acrescenta possibilidades de instabilidade diferentes daquelas apresentadas pelo sistema original. A componente derivativa avalia a tendncia do sistema para ocorrncia de erros em instantes futuros e gera uma ao contrria antes que estes ocorram. Tem a desvantagem de amplificar os sinais de rudo, o que pode causar

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