i

TRABALHO DE GRADUAO

CONTROLE ADAPTATIVO DA CLIMATIZAO PREDIAL

PARA EFICINCIA ENERGTICA

Heyder Antonio Silva de Arajo

Marcella Cortat Campos Melo

Braslia, julho de 2013.

ii

UNIVERSIDADE DE BRASLIA

Faculdade de Tecnologia

Curso de Graduao em Engenharia de Controle e Automao

TRABALHO DE GRADUAO

CONTROLE ADAPTATIVO DA CLIMATIZAO PREDIAL

PARA EFICINCIA ENERGTICA

Heyder Antonio Silva de Arajo

Marcella Cortat Campos Melo

Relatrio submetido como requisito parcial para obteno

do grau de Engenheiro de Controle e Automao.

Banca Examinadora

Prof. Adolfo Bauchspiess, UnB/ ENE Orientador

____________________________________

Prof. Antnio Padilha Lanari B, UnB/ ENE Examinador

____________________________________

Prof. Llio Ribeiro Soares Jnior, UnB/ ENE Examinador

____________________________________

Braslia, julho de 2013.

iii

FICHA CATALOGRFICA

ARAJO, H. A. S., MELO, M.C.C.

CONTROLE ADAPTATIVO da CLIMATIZAO PREDIAL PARA EFICINCIA

ENERGTICA

[Distrito Federal, 2013]

xiii, 75p, 297 mm (FT/UnB, Engenheiro, Controle e Automao, 2013). Trabalho de

Graduao Universidade de Braslia. Faculdade de Tecnologia.

1. Automao 2. Conforto trmico

I. Mecatrnica/FT/UnB

REFERNCIA BIBLIOGRFICA ARAJO, H. A. S., MELO, M.C.C. (2013). Estudo do Controle Adaptativo na Eficincia Energtica de Climatizao Utilizando Ambiente Predial. Trabalho de Graduao em Engenharia de Controle e Automao, Publicao FT.TG-n 05/2013, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Braslia, Braslia, DF, 75p.

CESSO DE DIREITOS

AUTORES: H. A. S. ARAJO, M. C. C. MELO.

TTULO DO TRABALHO DE GRADUAO: Controle Adaptativo da Climatizao Predial Para

Eficincia Energtica.

GRAU: Engenheiro de Controle e Automao ANO: 2013

concedida Universidade de Braslia permisso para reproduzir cpias deste Trabalho de

Graduao e para emprestar ou vender tais cpias somente para propsitos acadmicos e

cientficos. O autor reserva outros direitos de publicao e nenhuma parte desse Trabalho de

Graduao pode ser reproduzida sem autorizao por escrito do autor.

iv

AGRADECIMENTOS

Agradeo minha famlia, aos meus pais Helda e Antonio, a minha irm Tarciane, minha tia

Hilna, aos meus primos Williames, Wellingson e Wellington por todo o apoio por toda minha

vida sem os quais nada disso seria possvel.

Agradeo minha colega de trabalho Marcella por todos os bons momentos e pela amizade

durante o trabalho. Agradeo aos meus companheiros de curso Jos Oniram, Joo Vitor,

Antonio, Rodrigo Sabino, Rodrigo Fernandes, Rodrigo Castro, Tiago Lima, Luan Calaa,

George Brindeiro, Thiago Barra, Filipe Ribeiro e Leonardo Cunha por todos os momentos de

companheirismo durante esta jornada. Aos meus amigos Jackson Vasconcelos, Carolina

Umetsu, Cassiana Umetsu, Vitor Tolentino, Athos Ribeiro e Marcus Matias por todos os anos

de amizade.

Agradeo ao professor Adolfo, pelo fantstico trabalho de orientao e pela tranquilidade

durante o desenvolvimento deste trabalho.

Heyder Antonio Silva de Arajo

Agradeo minha famlia, em especial minha me, Rosangela.

Agradeo ao professor Adolfo, por ter nos ajudado com a sua experincia e a sua tranquilidade

tpicas. Agradeo ao meu colega de trabalho e grande amigo, Heyder, sempre paciente e

prestativo. Agradeo tambm aos companheiros de curso, George e Jefferson, e de semestre,

Filipe e Leonardo, todos de grande valia pessoal e profissionalmente.

Marcella Cortat Campos Melo

v

RESUMO

Existe uma grande preocupao no que diz respeito ao consumo excessivo de energia

eltrica. Dentro deste contexto, estudos tm sido feitos no intuito de tornar mais eficiente o uso

deste tipo de energia. Geralmente, sistemas trmicos so os que representam a parcela maior

do consumo energtico residencial. Condicionadores e aquecedores de ar, chuveiros entre

outros aparelhos eletro/eletrnicos so responsveis por grande parte do consumo de energia

eltrica em edifcios, empresas e residncias. proposta, deste projeto, otimizar o uso da

energia em sistemas trmicos. Este trabalho parte de uma linha de pesquisa que visa tornar

mais eficiente o consumo de energia eltrica em sistemas condicionadores de ar, considerando

o conforto. O presente estudo est focado no consumo de energia de um ambiente predial: a

primeira etapa, em que so realizados testes, ser executada em uma maquete de madeira,

cuja dinmica trmica mais rpida; a segunda etapa, de validao, ser feita na sala de

reunies do Laboratrio de Automao e Robtica.

Quanto ao controle, a comunicao ser feita pelo uso de mdulos XBee associados a

Arduino. A medio da temperatura tomada por sensores do tipo SHT71, e o processamento

de dados com o auxlio do MatLab. A identificao da funo de transferncia ser feita de

forma recursiva, com um algoritmo de Mnimos Quadrados adaptado. A abertura/fechamento

de portas e/ou janelas, bem como a variao da temperatura externa (envolvendo as salas)

permite estudar a eficincia energtica do controlador adaptativo, em comparao aos

tradicionais Liga-Desliga e PI.

Palavras-chave: conforto trmico, racionalizao de energia, controle PID, controle adaptativo,

XBee, SHT71, identificao de sistemas.

vi

ABSTRACT

There is been a great concern regarding the use of energy. Within this context, studies

have been made in order to make the use of such energy more efficient. Thermal systems are

usually the ones which represent the largest amount of energy expenditure in building

environments. Air conditioners, heaters and showers among other electronics are responsible

for a great part of the energy consumption in buildings, companies and residences. The propose

of this project is to optimize the use of energy in thermal systems. This project is part of a

research line that aims a more efficient use of electrical energy in air conditioning systems,

considering comfort. Such study is focused on the consumption of energy in building

environments: the first stage, mainly for tests, was performed on a wooden model, whose

thermal dynamics is faster; the second step, focused on validation, was done on the conference

room of the Automation and Robotics Laboratory.

The control was made by using XBee modules; the temperature was measured by SHT71

sensors, and the computational environment used was MatLab. The identification of the transfer

function was identified in a recursive way, using an adapted Least Squares algorithm. The

opening/closing of the door and/or windows, as well as the external temperature variation

(involving the adjacent rooms) allowed the study of energy efficiency of the adaptive controller,

in comparison with the traditional ON-OFF and PI controllers.

Key-words: thermal comfort, energy saving, PID control, adaptive control, XBee, SHT71,

system identification.

vii

SUMRIO

1 Introduo ............................................................................................................................. 1

1.1 Motivao ......................................................................................................................... 1

1.2 Conforto Trmico .............................................................................................................. 2

1.2.1 Termorregulao humana ..................................................................................... 2

1.2.2 ndice PMV ........................................................................................................... 3

1.3 Objetivos ........................................................................................................................... 4

1.4 Apresentao do Manuscrito ............................................................................................ 5

2 Reviso Bibliogrfica ............................................................................................................. 6

2.1 Introduo aos Ambientes de Estudo ................................................................................ 6

2.1.1 Sala de Reunies do LARA .................................................................................. 6

2.1.2 Maquete Prottipo da Sala ................................................................................. 8

2.2 Modelagem Matemtica .................................................................................................... 9

2.2.1 Tcnicas de Modelagem ....................................................................................... 9

2.2.2 Tcnicas de Algoritmo .........................................................................................10

2.3 Fundamentao Terica ..................................................................................................11

2.3.1 Modelo da Parede ...............................................................................................11

2.3.2 Identificao Recursiva ........................................................................................15

2.3.3 Controle Adaptativo .............................................................................................17

3 Materiais ...............................................................................................................................21

3.1 Sensor de temperatura e umidade SHT71 .......................................................................21

3.1.1 Protocolo de Transferncia de Dados ..................................................................22

3.1.2 Especificaes Tcnicas ......................................................................................23

3.2 XBee ................................................................................................................................24

3.2.1 Modos de Comunicao ......................................................................................25

viii

3.2.2 Adaptador CON-USBBEE ROGERCOM ..............................................................26

3.3 Arduino ............................................................................................................................26

3.3.1 Mdulo de Expanso ...........................................................................................27

3.4 Rel de Estado Slido - T2405Z-M ..................................................................................28

3.4.1 PWM Acionamento do Rel ..............................................................................29

4 Procedimentos .....................................................................................................................30

4.1 Rede XBee e Transmisso de Dados ..............................................................................30

4.2 Abordagens de Controle ..................................................................................................31

4.2.1 Controle Liga-desliga ...........................................................................................32

4.2.2 Controle Proporcional-Integrativo .........................................................................32

4.2.3 Controle Adaptativo .............................................................................................33

5 Resultados ...........................................................................................................................35

5.1 Experimento na Maquete .................................................................................................35

5.1.1 Identificao ........................................................................................................35

5.1.2 Controle com Carga Trmica Constante ..............................................................37

5.2 Experimento na Sala de Reunies ...................................................................................39

5.2.1 Identificao ........................................................................................................39

5.2.2 Controle com Carga Trmica Constante ..............................................................41

5.2.3 Controle com Carga Trmica Varivel .................................................................45

6 Concluso ............................................................................................................................51

Bibliografia ................................................................................................................................54

Anexos.........................................................................................................................................55

I. Cdigo de Leitura e Temperatura...................................................................................56

II. Cdigo do Mdulo de Acionamneto...............................................................................68

III. Cdigo do Algoritmo de Identificao (MatLab)............................................................69

IV. Digramas do Controle Adaptativo.................................................................................71

ix

V. Diagrama do Controle ON-OFF.....................................................................................73

VI. Diagrama do Controle Proporcional Integrativo............................................................74

VII. Descrio do Contedo do CD. ..................................................................................75

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 1-1. Fisiologia humana e suas trocas trmicas (Lamberts, 2011). ................................... 3

Figura 1-2. Grfico de relao do PMV com o PPD (Oliveira, 2009). ......................................... 4

Figura 2-1. Ambiente de estudo LARA (adaptada de Oliveira, 2010), destacando a sala de

reunies. .................................................................................................................................... 6

Figura 2-2. Vista da sala de reunies do LARA (horrio noturno, sem incidncia solar). ............ 6

Figura 2-3. Ar condicionado da sala de reunio (painel de controle, unidade evaporativa). ....... 7

Figura 2-4. Viso do sistema de automao do ar condicionado................................................ 7

Figura 2-5. Grfico da temperatura da sala de reunies com acionamento ON-OFF. Em

vermelho, perturbaes devido ao trnsito de pessoas. ............................................................. 8

Figura 2-6. Maquete de madeira de ambiente predial. ............................................................... 8

Figura 2-7. Esquemtico das trocas de calor por uma parede (adaptada de Incropera e DeWitt,

2006). .......................................................................................................................................11

Figura 2-8. Malha representativa (modelo) da parede (adaptada de Incropera e DeWitt, 2006).

.................................................................................................................................................13

Figura 2-9. Modelo 2R1C da parede (adaptada de Bauchspiess et al., 2006). ..........................14

Figura 2-10. Diagrama de entradas e sadas simplificado, relativo sala de reunio (adaptado

de Oliveira, 2010), em que o significado e deduo de cada termo podem ser encontrados na

respectiva obra. ........................................................................................................................14

Figura 2-11. Esquemtico geral de controle adaptativo. ............................................................18

Figura 2-12. Esquemtico de controle adaptativo direto. ...........................................................18

Figura 3-1. Sensor SHT71 (SensirionA. G.,2009). ....................................................................21

Figura 3-2. Tpico circuito de aplicao, incluindo o resistor de pull-up (adaptada de Sensirion

A. G.,2009). ..............................................................................................................................21

Figura 3-3. Diagrama de blocos do sensor SHT71(Sensirion A. G.,2009). ................................22

Figura 3-4. Incio da transmisso(Sensirion A. G.,2009). ..........................................................22

Figura 3-5. Medio e transmisso de dados comando 00101, umidade relativa (Sensirion A.

G.,2009). ...................................................................................................................................23

Figura 3-6. Mdulos de comunicao XBee. .............................................................................25

Figura 3-7. Esquemtico da comunicao entre mdulos (pyroelectro.com). ............................25

Figura 3-8. Fluxo de dados no XBee. ........................................................................................26

Figura 3-9. Adaptador COM-USBBEE (rogercom.com.br).........................................................26

Figura 3-10. Hardware do Arduino (arduino.cc). ........................................................................27

xi

Figura 3-11. Placa shield associada ao mdulo de expanso Xbee (arduino.cc). .....................27

Figura 3-12. Rel T2405Z-M (teletronic.ind.br)..........................................................................28

Figura 3-13. Circuito interno ao rel T2405Z-M (teletronic.ind.br). ............................................29

Figura 4-1. Esquemtico da mini rede XBee para identificao e controle. ...............................31

Figura 4-2. Sistemas de controle aplicados para o processo trmico. .......................................31

Figura 4-3. Esquemtico de etapas do controle adaptativo. ......................................................33

Figura 5-1. Medio da temperatura no ambiente de estudo na maquete. ................................36

Figura 5-2. Estimao de parmetros do ambiente de estudo na maquete, conforme a equao

(5.4). .........................................................................................................................................36

Figura 5-3. Medio de temperatura usando controle ON-OFF. ................................................37

Figura 5-4. Medio de temperatura usando controle PI. ..........................................................38

Figura 5-5. Medio de temperatura usando controle RST. ......................................................38

Figura 5-6. Estimao da temperatura. .....................................................................................40

Figura 5-7. Estimao dos parmetros, conforme a equao 5.7..............................................40

Figura 5-8. Medio de temperatura usando controle ON-OFF. ................................................41

Figura 5-9. Sinal de controle do controlador ON-OFF. ..............................................................42

Figura 5-10. Medio de temperatura usando controle PI. ........................................................42

Figura 5-11. Sinal de controle do controlador PI. ......................................................................43

Figura 5-12. Medio de temperatura usando controle RST. ....................................................43

Figura 5-13. Sinal de controle do controlador RST. ...................................................................44

Figura 5-14. Medio da temperatura usando controlador ON-OFF, com perturbaes. ..........46

Figura 5-15. Sinal de controle do controlador ON-OFF, com perturbaes. ..............................46

Figura 5-16. Medio da temperatura usando controlador PI, com perturbaes. .....................47

Figura 5-17. Sinal de controle do controlador PI, com perturbaes. ........................................47

Figura 5-18. Medio da temperatura usando controlador RST,com perturbaes. ..................48

Figura 5-19. Sinal de controle do controlador RST,com perturbaes. .....................................48

Figura IV-1. Diagrama simulink do controle adaptativo geral. ....................................................71

Figura IV-2. Diagrama simulink do processo de identificao. ..................................................71

Figura IV-3. Diagrama de simulink da estimao de parmetros. .............................................72

Figura V-1. Diagrama simulink do controle ON-OFF. .................................................................74

Figura VI-1. Diagrama simulink do controle PI. ..........................................................................75

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3-1. Lista de comandos. ................................................................................................23

Tabela 3-2. Coeficiente de converso de temperatura de acordo com a alimentao no sensor.

.................................................................................................................................................24

Tabela 3-3. Coeficiente de converso de temperatura de acordo com a resoluo. .................24

Tabela 3-4. Dados tpicos do sensor em relao temperatura. ..............................................24

Tabela 3-5. Valores de perodo do PWM, considerando tipo de controle e ambiente. ...............29

Tabela 4-1. Sintonia emprica de controlador P, PI, PID modelo CHM (Chien, Hrone e

Reswick, 1952). ........................................................................................................................32

Tabela 4-2. Ganho K para cada ambiente predial estudado. .....................................................34

Tabela 5-1. Relao entre tipos de controladores e melhoria em termos de energia. ...............45

Tabela 5-2. Relao entre tipos de controladores e melhoria em termos de energia, em

comparao com o controlador ON-OFF, com perturbaes. ...................................................49

Tabela 5-3. Tabela resumo de desempenho dos controladores (configurao, erro RMS e

consumo energtico).................................................................................................................50

xiii

LISTA DE SMBOLOS

AC AlternateCurrent A/D Analgico/Digital ADC Analogto Digital Converter API Application Programming Interface ARMAX Autoregressive Moving Average Model With Exogenous Inputs ASHARE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers AVR Alf Vegard RISC Processor CRC Cyclic Redundancy Check DC Direct Current IC Inter Integrated Circuits ICSP In-Circuit Serial Programming IDE Integrated Development Environment IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers I/O Input/Output LARA Laboratrio de Automao e Robtica LED Light Emitting Diode MatLab MATrixLABoratory MQ Mnimos Quadrados P Proporcional PI Proporcional Integrativo PID ProporcionalIntegrativoDerivativo PMV Predicted Mean Vote PPD Predicted Percentage of Dissastified PWM Pulse-Widht Modulation RAM Random Access Memory RF RdioFrequncia RMS Root Mean Square RX Recepo SCK Serial Clock SDA Serial Data SISO Single Input, Single Output TRIAC Triode for Alternating Current TX Transmisso UART Universal AsynchronousReceiver/Transmiter USB Universal Serial Bus

1

1 Introduo

1.1 Motivao

A racionalizao do consumo de energia eltrica tem sido uma preocupao. Grande

parte do consumo vem de aparelhos que aquecem ambientes ou que os resfriam, como

chuveiros eltricos e aparelhos de ar condicionado. Todos estes equipamentos tm em comum

o objetivo de propiciar o conforto trmico. Pases tropicais demandam o uso de aparelhos de ar

condicionado praticamente ao longo de todo ano.

O Laboratrio de Automao e Robtica (LARA) est conduzindo um projeto de

automao predial no contexto de ambientes inteligentes. Uma das reas de estudo o

conforto trmico, que envolve o controle de temperatura e umidade em uma sala de reunies e

seus ambientes adjacentes.

A automao predial um ramo da modernidade em que o uso da tecnologia e o

incentivo a pesquisas tm aumentado com o passar dos anos. Vrias so as reas de atuao,

que vo desde segurana preditiva (contra assaltos, incndios), at automatizao de portas,

janelas e demais aparelhos eletrnicos, como o ar-condicionado. O uso de computadores

algo corriqueiro neste tipo de trabalho, e bastante comum organiz-los em uma rede

(cabeada ou no).

No que tange ao campo de ambientes prediais, redes sem fio permitem o uso de

sensores, equipamentos interligados por redes wireless e unidades de processamento

associadas. As escolhas dos mdulos e do padro de comunicao so de fundamental

importncia. Para este trabalho, escolhemos mdulos XBee: da famlia Zigbee (IEEE 802.15.4).

So mdulos de comunicao por ondas de rdio. Possuem bom alcance (30 100m) em

ambientes fechados ou reas urbanas, com baixo uso de bateria.

Controlar a temperatura de todos os pontos de um prdio um trabalho excessivamente

dispendioso e demorado. Muitas vezes, os controladores usados no campo da automao

predial so simples, dimensionados empiricamente. Uma vez que o modelo no bem

conhecido e est exposto a perturbaes, a identificao da dinmica da planta em estudo

uma forma de obter uma caracterizao que permite projetar controladores baseados em

2

modelos. Devemos, ento, nos preocupar com a escolha das variveis, assim como com a

quantidade suficiente de sinais para estabelecer uma lgica de controle satisfatria.

O controle adaptativo tem a peculiaridade de, ao estabelecer uma lei de controle de

referncia, ser capaz de mudar os parmetros do controlador em tempo real. A identificao,

citada anteriormente, tem papel fundamental nesta abordagem, pois, ela observa a variao

dos parmetros da planta e, por meio, de algum tipo de realimentao, repassa essa

informao ao controlador, que faz os devidos ajustes [strm e Wittenmark, 1995]. Nota-se

que esta tcnica compatvel com ambientes com carga trmica tanto constante quanto em

variao.

Nesse trabalho, temos dois processos trmicos em estudo. Em uma primeira etapa,

modelaremos adequadamente um ambiente, por meio de identificao recursiva. Este

ambiente uma pequena sala de uma maquete, feita de madeira. O prximo passo elaborar

um controlador adaptativo. O atuador um secador de cabelo, que aquece o ambiente da

maquete. Em seguida, validaremos o controlador desenvolvido na sala de reunies, citada

anteriormente. Por fim, faremos a comparao entre diversas tcnicas de controle, incluindo as

clssicas, por meio da energia gasta pelo equipamento.

1.2 Conforto Trmico

O conforto trmico uma grandeza subjetiva, que tenta quantificar a sensao humana

de frio ou calor. Existem vrios fatores fsicos, fisiolgicos e psicolgicos envolvidos: estrutura

corporal, resposta metablica, diferenas de percepo, resposta a estmulos sensoriais.

Os estudos em conforto trmico visam, principalmente, analisar e estabelecer as

condies necessrias para a avaliao e concepo de um ambiente trmico adequado s

atividades e ocupao humana, bem como estabelecer mtodos e princpios para uma

detalha da anlise trmica de um ambiente [Lamberts, 2011]. Segundo a ASHRAE, o conforto

trmico a condio da mente que expressa satisfao com o ambiente trmico.

1.2.1 Termorregulao humana

O ser humano um animal homeotrmico, isto , precisa manter sua temperatura

constante, e por isso possui um mecanismo termorregulador que controla as suas variaes

trmicas. Nesse sentido, o corpo humano aproximado a uma mquina trmica, e como tal,

precisa de um mnimo de calor para operar, alm de tambm produzi-lo. O calor necessrio

3

para desempenharmos nossas atividades se d pela metabolizao dos alimentos ingeridos.

Em relao ao calor produzido, uma parte deste fundamental para o funcionamento

fisiolgico, enquanto a outra parcela deve ser dissipada para que no ocorra um

superaquecimento do corpo humano.

A Figura 1-1 exemplifica quais os tipos de trocas trmicas que podem haver entre o corpo

humano e o ambiente.

Figura 1-1. Fisiologia humana e suas trocas trmicas (Lamberts, 2011).

1.2.2 ndice PMV

Os estudos oriundos dessa rea geraram vrios modelos matemticos e, portanto

diversos ndices que quantificassem a agradabilidade de um ambiente. Desta forma, criou-se

um padro: o ndice PMV (Predicted Mean Vote). As normas ISO7730 (1994) e ASHRAE

Standard 55 (2005) usam este ndice e so as mais aceitas no meio acadmico.

So considerados quatros parmetros fsicos: umidade, temperatura, temperatura

radiante mdia e velocidade do ar. Alm dessas condies ambientais, dois parmetros

individuais so levados em considerao, que so o nvel de atividade da pessoa (sentada,

andando, conversando) e as vestimentas.

4

O ndice varia, em escala, de 3 a -3, em que o valor 3 equivale a um ambiente muito

quente, e o valor -3, a um ambiente muito frio. O valor 0 corresponde ao equilbrio ideal em se

tratando de conforto trmico.

Associa-se ao PMV um ndice de insatisfao com o ambiente, o PPD (Predicted

Percentage of Dissatisfied) [Oliveira, 2010]. A Figura 1-2 explicita essa relao.

Figura 1-2. Grfico de relao do PMV com o PPD (Oliveira, 2009).

Nosso trabalho se guiou por este ndice para avaliar quais so as variveis importantes, e

como devemos tratar a presena de pessoas em um ambiente predial.

Oliveira, 2010, mostra que a temperatura a varivel essencial para o conforto trmico.

J o ser humano possui trocas de calor complexas, como podemos ver pela Figura 1-1, e a sua

presena tratada como uma perturbao para a temperatura ambiente.

1.3 Objetivos

O objetivo deste trabalho desenvolver uma abordagem adaptativa para o controlador de

um aparelho de ar condicionado, para um ambiente predial. Como objetivos especficos, temos:

Instrumentao dos processos (maquete e sala de reunies do LARA);

Identificao dos processos trmicos;

Controle dos processos trmicos;

Comparao da abordagem adaptativa com controles PI e Liga-desliga, e;

Validao nos ambientes propostos.

5

1.4 Apresentao do Manuscrito

Este trabalho est organizado da seguinte forma: no captulo 2 faremos a reviso

bibliogrfica sobre modelos caixa cinza, modelos de algoritmo, identificao e controle

adaptativo. No captulo 3, sero detalhados os materiais usados na instrumentao do projeto,

tais como sensor, os mdulos de comunicao e microcontrolador. No captulo 4, ser descrito

como procedemos com a comunicao sem fio e o fluxo de dados para fazer o controle

adaptativo. A seguir, no captulo 5, apresentaremos os resultados da identificao de ambos os

ambientes de estudo (sala e maquete). O desempenho de cada tipo de controle empregado

(tcnicas clssicas e o controle adaptativo) tambm ser apresentado neste captulo, sendo

que faremos as devidas comparaes de desempenho em termos de economia energtica. No

captulo 6 feita a concluso a partir dos resultados obtidos, salientando-se as diferenas entre

os ambientes de estudo e outras peculiaridades dos experimentos e faremos uma lista de

sugestes para trabalhos futuros.

6

2 Reviso Bibliogrfica

2.1 Introduo aos Ambientes de Estudo

2.1.1 Sala de Reunies do LARA

O laboratrio LARA pode ser separado em seis ambientes, como pode ser visto na Figura

2-1. Um deles a sala de reunies, que tambm funciona como ambiente de estudo (Figura

2-2). Nela, est instalado o ar condicionado que usaremos como atuador. As Figuras 2-3 e 2-4

mostram a localizao do aparelho de ar condicionado na sala de reunies.

Figura 2-1. Ambiente de estudo LARA (adaptada de Oliveira, 2010), destacando a sala de reunies.

Figura 2-2. Vista da sala de reunies do LARA (horrio noturno, sem incidncia solar).

7

Figura 2-3. Ar condicionado da sala de reunio (painel de controle, unidade evaporativa).

Figura 2-4. Viso do sistema de automao do ar condicionado.

Para facilitar a captao de dados, o ambiente ao lado da sala de reunio foi dividido em

duas reas (reas1 e 2). importante ressaltar que, na sala de reunies, h um bom

isolamento trmico do piso, do teto e da parede que a separa da rea 3. O ambiente de estudo

separado das reas 1 e 2 por divisria simples e vidro.

muito raro um grupo de pessoas estar dividindo um ambiente e estas no interagirem

entre si. Muitas pessoas visitam a sala para fazer reunio o objetivo principal ou para

estudar. Em ambos os casos, fica bvio que haver muita movimentao. Isso, ao ser includo

no modelo de sinal, tratado como uma perturbao. Como exemplo, temos a Figura 2-5, em

que a linha em vermelho retrata a perturbao de que falamos.

8

Figura 2-5. Grfico da temperatura da sala de reunies com acionamento ON-OFF. Em vermelho,

perturbaes devido ao trnsito de pessoas.

2.1.2 Maquete Prottipo da Sala

Como no podemos impedir o uso da sala, usaremos, nos estudos iniciais, uma maquete

de madeira, como pode ser visto na Figura 2-6 para testarmos os controladores.

Figura 2-6. Maquete de madeira de ambiente predial.

9

A temperatura externa ser aproximada pelo uso de um secador de cabelos no duto

externo da maquete. No estamos falando de radiao, uma vez que isso foge do nosso

escopo de trabalho, mas sim, do ar aquecido pelo sol em dias quentes. Vale lembrar que a

umidade do ar caracterstica relevante, pois estamos em uma regio de clima seco, mas ser

desprezada neste trabalho em benefcio da simplicidade.

Aps a fase de testes, a validao ser feita no ambiente da sala de reunies.

2.2 Modelagem Matemtica

Existem duas consideraes a serem feitas ao se procurar um modelo de algum

processo. O modelo a ser desenvolvido uma representao aproximada, apenas algumas

caractersticas do sistema real podero ser descritas, fazendo-se consideraes

simplificadoras. A outra considerao a linearidade, ou seja, quando o sistema satisfaz o

princpio da superposio. H sistemas em que essa considerao no adequada, mesmo

para pequenas faixas de operao. Neste trabalho, assumiremos a operao linear.

2.2.1 Tcnicas de Modelagem

H vrias formas de classificar tcnicas de modelagem. Um delas agrupa os mtodos em

trs categorias denominadas modelagem caixa branca, caixa preta e caixa cinza. Cada uma

tem seu propsito.

Caixa branca: necessrio conhecer o sistema em detalhes, bem como as leis fsicas

que descrevem o sistema a ser modelado. Devido ao conhecimento e ao tempo

necessrios para modelar um sistema partindo do equacionamento dos fenmenos

envolvidos, nem sempre vivel seguir esse procedimento;

Caixa preta: geralmente, possui-se pouco ou nenhum conhecimento prvio do sistema,

por isso, esse tipo de modelagem tambm denominado modelagem emprica. Aqui,

solevantas as relaes de causa e efeito entre entradas e sadas, pois no se

conhecem as equaes envolvidas no funcionamento de determinado sistema, ou at

so conhecidas, mas seria impraticvel, por limitaes de tempo e demais recursos,

levantar tais equaes e estimar seus respectivos parmetros;

Caixa cinza: uma alternativa entre a modelagem puramente fsica e a puramente

emprica, usa informao auxiliar, que no se encontra no conjunto de dados utilizados

10

durante a identificao. O tipo de informao auxiliar e a forma com que ela usada

varia muito entre diversas tcnicas disponveis, cujo desenvolvimento um dos grandes

desafios na identificao de sistemas [Aguirre, 2007].

Para este trabalho, a modelagem caixa cinza foi escolhida, a priori. A informao auxiliar

a qual a descrio deste mtodo se refere ser apresentada na sesso Fundamentao

Terica.

2.2.2 Tcnicas de Algoritmo

Deve-se definir qual o mtodo (algoritmo) a ser utilizado, que variam entre determinstico

e estocstico.

Mtodos determinsticos: no tratam o rudo, ainda que se aceite o fato de que os dados

estejam contaminados. Esse mtodo s apresenta bons resultados quando a relao

sinal/rudo suficientemente alta.

Mtodos estocsticos: utilizam recursos adequados para levar em considerao o rudo

e, dessa forma, reduzir seus efeitos sobre o modelo identificado.

Definir como ser a captao de dados tambm influencia o algoritmo a ser usado.

Batelada: quando toda a massa de dados est disponvel antes de comear a estimar

os parmetros o problema numrico ser resolvido de uma vez s.

Estimao recursiva: outra situao recorrente de os dados serem medidos e

disponibilizados sequencialmente. claro que eles poderiam ser armazenados at ter

uma quantidade suficiente, mas possvel utiliz-los enquanto a coleta feita. til,

principalmente, quando os parmetros do processo variam lentamente ou quando a

soluo em batelada dispendiosa, como a execuo do algoritmo em tempo real, por

exemplo [Aguirre, 2007].

Tendo em vista o contexto do projeto, interessante fazer um controle em tempo real.

Com isso, fica claro que a identificao deve ser em tempo real tambm. Processos em tempo

real no necessariamente precisam de recursividade, supondo um sistema invariante no

tempo. Como se trata de um processo trmico, que variante no tempo e demasiado lento,

escolhemos recorrer a um algoritmo recursivo, com mtodo estocstico.

11

2.3 Fundamentao Terica

Um processo trmico tem como caractersticas a lentido, a variao no tempo dos seus

parmetros e a necessidade de se trabalhar com mltiplas entradas e sadas. Desta forma,

interessante trabalhar com um modelo matemtico simplificado, tanto para o tratamento de

dados, quanto para definir quais variveis so mais importantes.

2.3.1 Modelo da Parede

Faremos um estudo sobre as trocas de calor por meio da parede.

Figura 2-7. Esquemtico das trocas de calor por uma parede (adaptada de Incropera e DeWitt, 2006).

Na figura 2-7, temos:

, a temperatura estacionria no ambiente ;

, temperatura na superfcie ;

a posio ao longo da parede, e;

o vetor de transferncia de calor pela parede em funo da posio .

A parede de uma sala separa dois fluidos a temperaturas distintas. O processo de trocas

de calor se d em trs fases: conveco do calor do fluido ,1 para a superfcie da parede

,1, conduo atravs da parede pelo comprimento , e, novamente, conveco da outra

superfcie da parede ,2 graus para o fluido de temperatura ,2.

12

Temos, pela lei de Fourier, que a transferncia de calor por conduo :

=

=

(,1 ,2) (2.1)

Onde,

a rea da parede;

a espessura da parede, e;

a constante de condutividade trmica [ . ].

J o fluxo de calor dado por:

" =

=

(,1 ,2) (2.2)

As equaes (2.1) e (2.2) mostram que tanto a transferncia quanto o fluxo de calor so

constantes e independentes da posio ao longo da parede.

A transferncia de calor pelas paredes deve ser investigada. Iniciaremos com um modelo

simples, 2R1C, modelo de primeira ordem, com caractersticas lineares. bom lembrar que,

para a considerao de linearidade, definiremos um ponto de operao do sistema. Nesse

modelo, a parede modelada por uma capacitncia trmica interna e dois elementos de

condutividade trmica R.

Existe um conceito amplamente usado em modelagem de ambientes denominado

resistncia trmica. Trata-se de recursos matemticos baseados na analogia entre a difuso do

calor e a carga eltrica (potencial eltrico e de transmisso de calor, corrente e transferncia de

calor), de modo a descrever um sistema trmico como um circuito eltrico.

Da mesma maneira que se associa uma resistncia eltrica com a conduo de

eletricidade, associa-se uma resistncia trmica com conduo de calor.

A resistncia eltrica, pela lei de Ohm, definida como a razo entre tenso (diferena de

potencial eltrico) e corrente. A resistncia trmica por conduo , portanto, a razo entre a

diferena de temperatura entre dois pontos e a transferncia de calor veja a equao (2.3),

logo abaixo:

13

, = ,1,2

=

(2.3)

preciso definir a resistncia trmica por conveco. Usaremos a lei de resfriamento de

Newton, para definir a transferncia de calor, ou seja:

= ( ) (2.4)

Onde o coeficiente de transferncia de calor constante que depende de propriedades

fsicas do fluido.

Assim:

, =

=

1

(2.5)

Voltando questo do modelo da parede, h duas consideraes a se fazer:

Pelo princpio da conservao de energia, assim como na lei de ns de Kirchhoff, a

transferncia de calor ao longo da parede constante, ou seja:

= ,1,111

= ,1,2

= ,1,212

(2.6)

Em termos de diferena de temperatura, ,1 ,2, podemos definir uma resistncia

total , a qual ser a soma de todas as resistncia trmicas na malha, uma vez que

elas esto em srie. A equao (2.7) expressa o valor de :

= 11 + +

12 (2.7)

A Figura 2-8 a seguir ilustra o conceito de resistncia trmica aplicado modelagem da parede:

Figura 2-8. Malha representativa (modelo) da parede (adaptada de Incropera e DeWitt, 2006).

A equao (2.8) abaixo descreve a transferncia de calor entre as salas vizinhas:

=

1

+ 1 (2.8)

14

Vemos que se trata de um sistema dinmico, cuja funo de transferncia de 1. ordem,

e a constante de tempo = , no caso, representa o tempo necessrio para atingir o

equilbrio trmico entre duas vizinhanas. O resfriamento promovido pelo ar condicionado

tambm tem a mesma estrutura da equao (2.8), e a constante de tempo associada retrata o

efeito de resfriamento da sala.

As caractersticas fsicas da parede, do piso e do teto so diferentes entre si e relevantes

para o problema. Para efeitos de simplificao, considera-se que o modelo 2R1C na Figura 2-9

suficiente para representar a dinmica dominante.

Figura 2-9. Modelo 2R1C da parede (adaptada de Bauchspiess et al., 2006).

O ponto retrata um ponto fictcio no meio da parede. A diferena entre e define o

vetor , definindo o fluxo de calor entre duas vizinhanas. Os parmetros e R so intrnsecos

das caractersticas da parede, tais como material, suas dimenses e seu formato.

A Figura 2-10 mostra a relao entre varveis de sada e de entrada, um rascunho para a

identificao, baseada na superposio das contribuies trmicas descritas anteriormente.

Figura 2-10. Diagrama de entradas e sadas simplificado, relativo sala de reunio (adaptado de

Oliveira, 2010), em que o significado e deduo de cada termo podem ser encontrados na respectiva obra.

15

2.3.2 Identificao Recursiva

Um algoritmo recursivo de identificao, por definio, estima os parmetros de um

modelo em tempo real. Essa abordagem til quando o processo evolui lentamente.

() = ( 1) + () (2.9)

Na equao (2.9), temos a sada () mensurada no instante como a relao entre a

matriz de regressores , baseada nas 1 medidas anteriores, o vetor de parmetros

estimados , e o resduo (), parcela do modelo que engloba imprecises (diferenas entre a

estrutura presumida e a real) e rudo.

Usando a implementao recursiva do mtodo dos Mnimos Quadrados (MQ) tradicional,

temos o vetor de parmetros de mnimos quadrados descrito pela equao (2.10), a seguir:

= [ ( 1)( 1)=1 ]

1[ ( 1)()=1 ] (2.10)

Para garantir que seja uma boa estimativa, existem duas restries importantes: a

covarincia de deve ser mnima, e no pode ser polarizado ([] = 0).

A matriz = [] denota a matriz de covarincia obtida at a interao .

Vale lembrar que, no algoritmo MQ, interessante expressar as grandezas em termos de

estimaes passadas. Desta forma, temos (seguindo a apresentao de Aguirre [2007]):

= [ ( 1)( 1)=1 ]

1

= [ ( 1)( 1)=1 ] + ( 1)

( 1)

= + ( )( ) (2.11)

Alterando a parcela( 1) para , a equao (2.10) pode ser reescrita como:

= [ ( 1)() + ( 1)()1=1 ] (2.12)

Ou ainda como:

[ ( 1)( 1)1=1 ] = [ ( 1)()1=1 ] (2.13)

16

O lado esquerdo da equao (2.13) pode ser representado por 11 1. Substituindo

este resultado na equao (2.12), temos:

= [11 1 + ( 1)()]

= [(11 ( 1)( 1) + ( 1)()]

= ( 1)( 1 ) + ( 1)()

= ( 1)[() ( 1 )]

= [() ( )] (2.14)

A outra premissa para um bom estimador, relativa a no polarizao dos dados,

dimensionada pela matriz . Como pudemos ver, = ( 1).

Para usarmos a recursividade do algoritmo, preciso calcular . O uso direto da

equao (2.11) mostra que preciso calcular a inversa de uma matriz, o que dispendioso,

mesmo usando um computador. Aplicando o lema da inverso, possvel encontrar uma

equao para melhorada:

= 1 1(1)

(1 )1

(1 )1(1)+1 (2.15)

Desta forma, .pode ser reescrita como:

= ()

( )()+ (2.16)

Existe, porm, uma caracterstica a ser levada em conta: o estimador trata todas as

medies de forma idntica, isto , o peso associado primeira medida 1 o mesmo que o

da centsima,100, eeste o mesmo da milsima medida, 1000. Para um sistema invariante

no tempo, isto razovel, caso contrrio, no o . preciso, portanto, inserir plasticidade ao

algoritmo, ou seja, ponderar de maneira diferenciada as observaes. Uma forma de obter isto

utilizando um decaimento exponencial (2.17), a seguir:

{() = 1

() = ( 1), < (2.17)

O fator representa a razo entre pesos consecutivos para uma mesma massa de dados

e conhecido como fator de esquecimento.

17

O estimador recursivo de mnimos quadrados com fator de esquecimento mostrado

na equao (2.18) [Aguirre, 2007]:

{

=

1

1+

;

= + [() ];

=

(

+

).

(2.18)

Em que:

o vetor de regressores que contm informao at o instante (k-1);

o ganho de adaptao do vetor estimado, muitas vezes referido como o ganho de

Kalman, e garante a no polarizao do vetor de parmetros (o filtro de Kalman , de fato, uma

implementao eficiente do MQR [Aguirre, 2007]);

a matriz de covarincia do processo, e;

o vetor de parmetros estimado pelas (k-1) medidas [Aguirre, 2007].

2.3.3 Controle Adaptativo

Um controlador adaptativo aquele que pode modificar seu comportamento de acordo

com a variao da dinmica do processo. Este tipo de controlador caracterizado por possuir

um mecanismo de ajuste que faz com que a lei de controle se adapte a estas variaes, como

pode ser visto na Figura 2-11.

18

Figura 2-11. Esquemtico geral de controle adaptativo.

O diagrama presente na Figura 2-11 possui uma estrutura complexa. Cada ponto pode

ser realizado de vrias formas distintas. Nota-se que controle adaptativo mais um conceito do

que uma tcnica propriamente dita. Para fins de simplificao, pode-se dizer que existem duas

abordagens tpicas: controle direto e indireto.

Figura 2-12. Esquemtico de controle adaptativo direto.

No controle indireto, primeiramente os parmetros do processo so estimados de forma

recursiva e com estes parmetros so calculados os parmetros do controlador, como visto na

Figura 2-11. No controle direto, o processo re-parametrizado, isto , o estimador utilizado

para obter os parmetros do controlador a partir das medidas de entrada e sada do sistema,

conforme pode ser visto na Figura 2-12. Em ambos os algoritmos, existe a ideia bsica de

19

identificar alguns parmetros que estejam relacionados ou ao processo, ou s especificaes

para o sistema em malha fechada, e, preferencialmente, aos dois. V-se que a identificao

assume um papel importante.

Existem vrias tcnicas para o projeto de um controlador adaptativo: modelo de

referncia (MRAC), reguladores auto ajustveis (RST), controle dual, escalonamento de ganho,

entre outros. Neste trabalho, foi utilizada a tcnica de reguladores auto ajustveis, detalhada

logo a seguir.

Assumindo o modelo do processo como ARMAX SISO (single-input, single-output),

tem-se:

()() = ()(() + ()) (2.19)

() =()

()() +

()

()() (2.20)

Onde A e B so polinmios, o operador de atraso, e uma perturbao ao sistema.

Deseja-se encontrar um controlador com a seguinte forma:

()() = ()() ()() (2.21)

Onde R,S e T so polinmios. Logo, em malha fechada, temos:

() =()()

()()+()()() +

()()

()()+()()() (2.22)

() =()()

()()+()()() +

()()

()()+()()() (2.23)

A equao caracterstica, que neste caso conhecida como equao diofantina, :

()() + ()() = () (2.24)

Onde o polinmio caracterstico desejado em malha fechada.

Para obter o polinmio T necessria mais uma relao. Esta relao obtida atravs de

um modelo de referncia que descreve a dinmica desejada para o sistema.

() = () (2.25)

+=

=

(2.26)

20

O polinmio B pode ser fatorado como+, tal que+ mnico, estvel e to bem

condicionado que pode ser cancelado pelo controlador. J a parcela no pode ser cancelada

e, portanto, ela faz parte do polinmio.

=

(2.27)

J queB+ cancelado, deve ser um fator deAc. Com isso, tambm temos quetambm

fator de. O polinmio caracterstico tem a forma:

= 0+ (2.28)

Podemos fatorar o polinmio R tambm, como sugere a equao (2.29) abaixo.

= + (2.29)

Desta forma, a equao diofantina passa a ser:

+ = 0 = (2.30)

E, assim, temos que:

= 0 (2.31)

Existem condies de causalidade, as quais so:

{

= =

0 = + 1

<

(2.32)

Para eliminar o erro em regime permanente, proposto em strm e Wittenmark(1995):

(1)() + (1)() + 0(1)(1)() = 0(1)(1)() (2.33)

Em que a deduo e o significado de cada termo de (2.33) podem ser encontrados em

sua respectiva obra.

21

3 Materiais

3.1 Sensor de temperatura e umidade SHT71

O SHT71 (Figura 3-1) um sensor de temperatura e umidade da empresa Sensirion,

que possui comunicao digital, evitando assim que o sinal sofra interferncia durante o envio

das leituras, feitas por meio de um protocolo de comunicao proprietrio. A tenso de

alimentao pode variar de 2,4 V a 5,5 V. O sensor possui um mdulo de memria de

calibrao que j vem configurado de fbrica.

Figura 3-1. Sensor SHT71 (SensirionA. G.,2009).

O conversor A/D (Figura 3-3) possui uma resoluo configurvel, podendo variar de 8 a

14 bits. O sensor possui, ainda, um circuito para a interface IC entre o sensor e o

microcontrolador. A Figura 3-2 ilustra este tipo de interface.

Figura 3-2. Tpico circuito de aplicao, incluindo o resistor de pull-up (adaptada de Sensirion A. G.,2009).

22

Figura 3-3. Diagrama de blocos do sensor SHT71(Sensirion A. G.,2009).

3.1.1 Protocolo de Transferncia de Dados

O protocolo de comunicao composto por varias etapas. O sinal SCK utilizado na

sincronizao da comunicao entre o sensor e o microcontrolador (Figura 3-4). O inicio da

comunicao se d com o envio do endereo de trs bits 000, que o nico permitido. O

comando desejado formado por cinco bits. Ao receber o sinal de reconhecimento

(acknowledge), o SHT se prepara para mudar o estado para o valor lgico baixo, o que

acontece aps a oitava borda de descida do SCK. A linha liberada aps a nona borda de

descida de SCK.

Figura 3-4. Incio da transmisso(Sensirion A. G.,2009).

O microcontrolador tem de esperar a medio ser concluda, o que leva no mximo

20/80/320 ms, para uma resoluo de 8/12/14 bits no ADC. feita a leitura, em que so

enviados 2 bytes de medida e um de CRC (checksum) opcional. O microcontrolador reconhece

cada byte mudando DATA para o valor lgico baixo. Com isto, feito o fim da comunicao,

logo aps o byte CRC (caso exista) ou aps o byte menos significativo da medida.

Um exemplo da rotina de comunicao pode ser visto na Figura 3-5, que trata da

medio da umidade relativa pelo sensor.

23

Figura 3-5. Medio e transmisso de dados comando 00101, umidade relativa (Sensirion A. G.,2009).

3.1.2 Especificaes Tcnicas

A Tabela 3-1 mostra uma lista de comandos e cdigos para operar o SHT71.

Tabela 3-1. Lista de comandos.

Comando Cdigo

Medir temperatura 00011

Medir umidade 00101

Ler registrador de status 00111

Escrever registrador de status 00110

Soft reset 11110

Aps o dado ser recebido pelo microcontrolador, realizada a converso do sinal de

sada conforme explicitado na equao (3.1):

= + (3.1)

24

Em que 1 e 2 so dados pelas seguintes tabelas:

Tabela 3-2. Coeficiente de converso de temperatura de acordo com a alimentao no sensor.

VDD (C) (F)

5 V -40,1 -40,2

4 V -39,8 -39,6

3.5 V -39,7 -39,5

3 V -39,6 -39,3

2.5 V -39,4 -38,9

Tabela 3-3. Coeficiente de converso de temperatura de acordo coma resoluo.

(C) (F)

14 bits 0.01 0.018

12 bits 0.04 0.072

A Tabela 3-4 resume as principais caractersticas do sensor SHT71:

Tabela 3-4. Dados tpicos do sensor em relao temperatura.

Parmetro Mnimo Tpico Mximo Unidade

Resoluo 0,4 12

0,01 14

0,01 14

C Bit(ADC)

Preciso - 0,4 - C

Faixa de operao

-40 - 123 C

3.2 XBee

XBee (Figura 3-6) so mdulos de radiofrequncia, desenvolvidos pela Digi International.

Possuem como principal caracterstica a implementao de sistemas de baixo custo e baixo

consumo de energia para diversas aplicaes.

25

Para a comunicao entre os mdulos utilizado o protocolo IEEE 802.15.4, tambm

conhecido como ZigBee. A grande parte das famlias de XBee possui alguma forma de

controle de fluxo, I/Os, conversores A/D e indicadores de potncia de sinal.

Figura 3-6. Mdulos de comunicao XBee.

3.2.1 Modos de Comunicao

A comunicao com o dispositivo controlador ocorre de forma serial assncrona (Figura

3-7), sendo assim adaptvel com qualquer UART compatvel a nvel lgico e de tenso, ou

fazendo o uso de um tradutor de nvel lgico.

Figura 3-7. Esquemtico da comunicao entre mdulos (pyroelectro.com).

O XBee opera em modo transparente por padro. Neste modo, os mdulos funcionam

como um substituto de uma linha serial, ou seja, todo dado recebido colocado no buffer para

a transmisso RF. Quando um dado recebido por RF, este colocado no buffer de recepo.

26

A Figura 3-8 mostra essa relao de armazenamento em buffers e transmisso de dados,

descrita anteriormente.

Figura 3-8. Fluxo de dados no XBee.

3.2.2 Adaptador CON-USBBEE ROGERCOM

O adaptador COM-USBBEE (Figura 3-9) desenvolvido pela ROGERCOM utilizado para

facilitar a interface entre o mdulo XBee e o computador. Este adaptador utiliza um conversor

USB/Serial (FTDI Chip) que cria uma porta serial virtual no computador, permitindo assim, a

comunicao entre o computador e o XBee.

Figura 3-9. Adaptador COM-USBBEE (rogercom.com.br).

No adaptador, encontrado um regulador de tenso responsvel pela alimentao do

XBee, LEDs que indicam a fora do sinal RF(RSSI), LEDs que indicam a recepo(RX) ou

transmisso(TX) de um dado, um LED que indica a associao a uma rede(ASS), alm de um

boto de reset. Este adaptador foi utilizado para a configurao dos parmetros dos XBees e

para a conexo destes com o MATLAB.

3.3 Arduino

Arduino uma plataforma de prototipagem de hardware baseada em uma placa com um

microcontrolador Atmel AVR e uma IDE de desenvolvimento de software. O seu hardware

possui diversas entradas e sadas de fcil acesso, cuja quantidade varia de acordo com o

27

modelo da placa. A interface de desenvolvimento de software baseada em um compilador de

C/C++ e em um bootloader um programa que carregado no microcontrolador, permitindo

que o cdigo criado seja gravado no microcontrolador sem o auxilio de um hardware adicional.

Neste trabalho, foi utilizado o modelo Arduino MEGA, como visto na Figura 3-10. Este

modelo possui um microcontrolador ATmega1280, que possui 54 pinos de entrada e sada

digitais, dos quais 14 deles podem ser usados como sadas de PWM, 16 entradas analgicas,

4 UARTs, um cristal de 16 MHz, 128 kB de memria flash e 8 kB de memria RAM. A placa

possui conexo USB, um conector de fora, um conector ICSP e um boto de reset.

Figura 3-10. Hardware do Arduino (arduino.cc).

3.3.1 Mdulo de Expanso

possvel acoplar ao Arduino uma placa chamada de shield, cuja funo estender suas

funcionalidades. Desta forma, foi utilizado um shield, visto na Figura 3-11, para acoplar

mdulos de comunicao XBee, facilitando a integrao entre este e o Arduino.

Figura 3-11. Placa shield associada ao mdulo de expanso XBee (arduino.cc).

http://www.arduino.cc/http://www.arduino.cc/

28

3.4 Rel de Estado Slido - T2405Z-M

Para fazer acionamento de dispositivos, comum usar uma chave esttica. Elas

promovem o chaveamento da potncia fornecida para a carga, mas no a modifica em nenhum

outro aspecto. O uso de rels algo corriqueiro neste sentido.

Comumente, existem dois tipos de rels: os eletromecnicos e os de estado slido. Estes

so uma alternativa moderna para o uso de rels eletromecnicos, uma vez que so mais

robustos quanto a rudos e problemas mecnicos. Vale lembrar que o uso de rels de estado

slido um pouco restrito, pois, no toda aplicao que possvel us-los.

O SSR T2405Z-M (Figura 3-12) da Teletrom um rel de estado slido, cuja tenso de

comando pode variar de 3 V a 32 V DC. A tenso de carga de 240 V AC, com corrente de

sada de at 5 A. V-se que um dispositivo de pequeno porte, como o XBee, pode controlar

este rel, e o rel pode atuar junto a contatoras ou controladores mais exigentes quanto ao

acionamento.

Figura 3-12. Rel T2405Z-M (teletronic.ind.br).

Em um SSR, tem-se um dispositivo semicondutor que ao ser excitado, emite radiao

infravermelha. Essa radiao atua sobre o receptor do dispositivo, o qual controla um circuito

externo, atravs de um dispositivo de potncia como, por exemplo, um transistor de potncia,

um SCR, um TRIAC, etc. Para mais detalhes, veja a Figura 3-13.

29

Figura 3-13. Circuito interno ao rel T2405Z-M (teletronic.ind.br).

3.4.1 PWM Acionamento do Rel

Modulao por largura de pulso, ou mais conhecida como pulse-width modulation (PWM),

uma tcnica de modulao em que a largura do pulso adequada a um sinal de informao.

Ela pode ser usada em sistemas de comunicao, mas seu principal uso controlar o

fornecimento de potncia a um dispositivo eltrico. Para este uso, sua principal vantagem a

baixa perda de potncia durante a transmisso.

O valor da tenso ou corrente a alimentar a carga controlado por um pulso que varia de 0

(no conduo) a 1 (conduo) ao longo do tempo. A razo entre o tempo em que o pulso est

conduzindo (valor 1) e o tempo total do pulso denominada ciclo de trabalho (duty cicle, em

ingls). Esta razo determina a tenso, ou corrente, mdia e define a potncia entregue

carga.

Neste trabalho, foi usado um PWM junto ao sinal de controle, para a modulao do

acionamento do rel. O perodo do PWM foi ajustado empiricamente, de forma a obter o melhor

desempenho possvel dos controladores usados, e a Tabela 3-5 mostra o valor para cada

experimento feito ao longo deste trabalho.

Tabela 3-5. Valores de perodo do PWM, considerando tipo de controle e ambiente.

Controle Sala de Reunies do LARA Maquete

Adaptativo 220 segundos 9 segundos

PI 220 segundos 19 segundos

30

4 Procedimentos

4.1 Rede XBee e Transmisso de Dados

preciso confeccionar uma rede de, no mnimo, 3 ns: um n para transmitir os dados

captados pelo sensor, outro para fazer a comunicao com um computador, que faa a

identificao e elabore a re-parametrizao do controlador, e mais um n, que atue no rel

T2405Z-M. No h exatamente um tamanho mximo para a rede, mas importante lembrar

que, quanto maior, mais complexa ela . importante, portanto, verificar as limitaes dos

mdulos de comunicao (canais disponveis para transmisso e/ou recepo de dados),

definir como a rede deve operar (sincronismo, simultaneidade), definir a sua rea de cobertura

(uma sala, um andar ou um prdio), considerar modificaes no algoritmo (do microcontrolador,

de identificao, de controle), entre outras peculiaridades.

Para este trabalho, uma pequena rede foi montada. O primeiro n formado pelo SHT71,

pelo XBee e pelo Arduino associado a um shield. O sensor, resoluo de 14 bits, interage

com o XBee por meio do protocolo IC. O protocolo de comunicao em 2 sinais IC se

destaca por no precisar de interfaces particulares, uma vez que os dispositivos integram as

interfaces on-chip, o endereamento e o protocolo de transferncia de dados so totalmente

definidos via software, entre outros benefcios. Suas principais caractersticas so: duas vias de

comunicao, serial data (SDA) e serial clock (SCL), ambas bidirecionais, conectadas ao

positivo da fonte de alimentao atravs de um resistor de pull-up; todo dispositivo possui um

endereo nico no barramento, independente de sua natureza; o nmero de interfaces

conectadas fica dependente da capacitncia mxima do barramento, que de 400pF.

Voltando rede, o segundo n responsvel por repassar as medies de temperatura

para o computador, em que h uma instncia ativa do MatLab , software de alta performance

voltado para clculo numrico. O XBee, atravs de um adaptador USB, passa os dados via

porta serial ao computador. Por ltimo, temos o terceiro n, composto por um Arduino e um

shield, por outro mdulo XBee, e pelo rel de estado slido, conectado diretamente ao XBee.

Como o rel um dispositivo analgico, s possvel acion-lo diretamente.

A comunicao entre os mdulos XBee feita por radiofrequncia.

A Figura 4-1mostra um esquemtico da rede descrita.

31

Figura 4-1. Esquemtico da mini rede XBee para identificao e controle.

4.2 Abordagens de Controle

Foram utilizadas diferentes tcnicas de controle, incluindo as clssicas. Para o controle

adaptativo, usamos a tcnica de alocao de polos (RST), como explicado no tpico Controle

Adaptativo, da Fundamentao Terica. A Figura 4-2 resume o diagrama de controle que

propusemos para o projeto. Cada tipo de controle (ON-OFF, PI e RST) foi executado

individualmente.

Figura 4-2. Sistemas de controle aplicados para o processo trmico.

32

4.2.1 Controle Liga-desliga

O controlador liga-desliga simples e rpido. Leva em conta o erro entre a referncia e a

temperatura medida, representado na Figura 4-2 pelo rel. A lei de controle determinada por:

Para a maquete:

{1 < 0,2

0 > 0,2 (4.1)

Para a sala de reunies:

{0 < 1,0

1 > 1,0 (4.2)

Em que, 1 equivale a ligar o atuador, e 0, deslig-lo. Os valores de 0,2, para a maquete, e

de 1,0, para a sala de reunies, equivalem histerese dos respectivos atuadores.

4.2.2 Controle Proporcional-Integrativo

A Tabela 4-1 resume os critrios para construir um controle servo, sem filtro anti wind-up,

levando em conta dois valores de sobrepasso (overshoot).

Tabela 4-1. Sintonia emprica de controlador P, PI, PID modelo CHM (Chien, Hrone e Reswick, 1952).

Tipo de Controlador

Com overshoot de 0% Com overshoot de 20%

P 0.3 - - 0.7

- -

PI 0.35 1.2 - 0.6

-

PID 0.6 0.5 0.95

1.4 0.47

Em que, na Tabela 4-1:

o atraso de transporte,

a constante de tempo e,

a inclinao de uma reta assinttica curva de sada do controlador ( = ).

33

O fator integrativo diminui o erro em regime permanente e no to sensvel a rudos

ao contrrio da parcela derivativa, cuja funo tornar o controle mais rpido.

Para um processo trmico, o tempo para chegar ao valor de referncia no to crtico,

pois a sua dinmica lenta. A amplitude do sobressinal, porm, um ponto relevante do

projeto, uma vez que, alm da preocupao com saturao, prejudicaria o conforto trmico.

Com isso, e considerando o que foi dito no pargrafo anterior, escolhemos fazer um controlador

PI, com overshoot de 0%. A estrutura do controlador dada pela equao (4.3):

= (1 + 1

) (4.3)

4.2.3 Controle Adaptativo

O controle adaptativo vai alm de apenas implementar uma lei de controle. A

identificao da planta, o objeto de estudo, fator fundamental. Existe, portanto, uma interao

constante com os mdulos de comunicao e, indiretamente, com o sensor de temperatura. A

Figura 4-3 ilustra este processo.

Figura 4-3. Esquemtico de etapas do controle adaptativo.

34

As especificaes definidas para os controladores clssicos foram as mesmas para o

controlador adaptativo, isto , sobressinal de 0%, com pouca variao em torno da referncia.

Embora existam condies para definir os polinmios R, S e T, no h um algoritmo

especfico para encontr-los. Os autores em [Astrm e Wittenmark, 1995] mostram certas

escolhas que facilitam o design do controlador e, por isso, so mais usuais. As definies de

alguns coeficientes e do grau dos polinmios envolvidos foram feitas empiricamente,

considerando o domnio do tempo discreto. Os parmetros dos polinmios em questo foram

obtidos por meio de simulaes, sempre buscando a melhor resposta do sistema.

De acordo com [Souto, 2006], uma funo de segunda ordem com canal integral uma

boa representao para um modelo de referncia. Desta forma, temos que:

= 0 (4.4)

= 0 (4.5)

= 0 0 (4.6)

Em que 0 e 0 so parmetros da planta, e 0 e 0 so parmetros do modelo de

referncia.

Por sua vez, o modelo de referncia dado por:

() =0+1

2+1+2=

0.0925+0.08738

20.8998+0.07984 (4.7)

A lei de controle expressa pela equao (4.8), a seguir.

() = [( + 1) +

1

0(0 2)(( 2) ( 1))

(2 0)(( 1) ()) + (0 + 1 + 2)(() ())] (4.8)

A incluso do ganho na equao (4.8) uma adaptao da lei de controle, pois foi visto

que, com esta incluso, melhorava-se o transiente. Na Tabela 4-2, esto os ganhos escolhidos,

empiricamente, para a sala e para a maquete.

Tabela 4-2. Ganho K para cada ambiente predial estudado.

Ambiente Ganho Sala de Reunies 4

Maquete 33

35

5 Resultados

5.1 Experimento na Maquete

O experimento completo consiste em realizar a identificao, avali-la e obter as

performances dos controladores ON-OFF, PI e adaptativo, nesta ordem. No caso da maquete,

em que o objetivo era apenas fazer testes preliminares, partimos para uma situao de carga

trmica constante, com apenas um secador de cabelos, alm do atuador, que gerava uma

perturbao controlada, no sistema.

5.1.1 Identificao

Como resultado da identificao na maquete, temos a equao (5.2), com referncia em

um modelo de segunda ordem descrito em (5.1):

() =()

()=

0+1

1+2 (5.1)

() =()

()=

0,0234+0.0242

0,5+0,5 (5.2)

Foi extrada a matriz de regressores:

() = [ ( 1) ( 2) ( 1) ( 2)] (5.3)

E o vetor de parmetros:

() = [1234] (5.4)

Os grficos contidos nas Figuras 5-1 e 5-2 mostram, respectivamente, a evoluo da

identificao da maquete e dos seus parmetros ao longo do tempo.

36

Figura 5-1. Medio da temperatura no ambiente de estudo na maquete.

Figura 5-2. Estimao de parmetros do ambiente de estudo na maquete, conforme a equao (5.4).

Pela Figura 5-1, v-se que a identificao foi satisfatria, afinal, mal possvel diferenciar

as curvas do sinal simulado do sinal real. O erro quadrtico mdio foi de 7,69 104.

37

Filtramos os parmetros identificados com um filtro passa-baixa Butterworth de segunda

ordem, com frequncia de corte de 1Hz, feito em software. Fazer este tratamento til para a

atuao do controle adaptativo, pois os parmetros mudaro de forma mais sutil, permitindo

que o controlador os acompanhe melhor.

A Figura 5-2 mostra a evoluo dos parmetros da identificao na maquete ao longo do

tempo. Como podemos ver, eles variam pouco, estabilizando rapidamente tambm. O

parmetro mais lento em alcanar o regime permanente (2 dos parmetros filtrados) o faz em

menos de 1 minuto. O parmetro que mais varia (2 dos parmetros puros) tem amplitude de

ondulao menor que 0,05.

5.1.2 Controle com Carga Trmica Constante

Primeiramente, fizemos um controle simples, do tipo ON-OFF. A Figura 5-3, a seguir,

mostra o resultado.

Figura 5-3. Medio de temperatura usando controle ON-OFF.

V-se, a partir do instante 1500s na Figura 5-3, que a amplitude de oscilao aumentou

em alguns pontos. Isso se deve perda de sinal da rede sem fio, impossibilitando fechar a

malha de controle.

38

Fizemos um controle PI, e o resultado consta na Figura 5-4 abaixo.

Figura 5-4. Medio de temperatura usando controle PI.

A Figura 5-5 mostra a resposta ao degrau do controle adaptativo proposto.

Figura 5-5. Medio de temperatura usando controle RST.

Pela Figura 5-3, vemos que o controle ON-OFF, simbolizado pelo rel na Figura 4-2, o

que gera mais consumo de energia, j que o que permanece mais tempo ativado. o que

39

mais varia, cujas amplitudes de variaes de sinal de quase 1C, alm da histerese de 0,2 C.

Por causa das oscilaes, percebe-se que este tipo de controle exige muito do acionamento do

atuador, e, pelo fato de ser uma das tcnicas de controle mais simples, no h muitas

modificaes a se fazer para melhorar o desempenho.

Comparando-se as Figuras 5-4 e 5-5, em termos de sobressinal e erro em regime

permante, os controladores PI e RST tem desempenho parecido. Quanto a atingir a referncia,

o controlador PI a atinge mais devagar do que RST, com uma diferena aproximada de 1

minuto. Isso era esperado, j que a etapa de identificao foi incorporada ao controlador no

caso do RST.

A maquete um sistema pequeno, de dinmica rpida, e certas peculiaridades de um

ambiente de tamanho real no so visveis, neste caso.

5.2 Experimento na Sala de Reunies

Aqui, faremos a validao do que foi desenvolvido na etapa da maquete. Mais uma vez,

seguimos com a sequncia de fazer a identificao do ambiente, avali-la e obter as

performances dos controladores. Neste caso, no entanto, h duas configuraes de avaliao

dos controladores: a primeira, com carga trmica constante, e a segunda, com variao de

carga trmica.

5.2.1 Identificao

Como resultado da identificao em batelada dos sinais na Figura 5-6, temos a equao

(5.5):

()

()= 3

0,0219+0.0154

21,918+0,9191. (5.5)

A matriz de regressores :

() = [ ( 1) ( 2) ( 5) ( 4)], (5.6)

O vetor de parmetros:

() = [1234]. (5.7)

40

Em seguida, foi feita a estimao dos parmetros do sistema. Os parmetros todos foram

inicializados com valores pr-determinados de 0,01. O resultado exibido na Figura 5-7.

Figura 5-6. Estimao da temperatura.

Figura 5-7. Estimao dos parmetros, conforme a equao 5.7.

41

Podemos ver pela Figura 5-6, que a identificao foi satisfatria. O erro quadrtico mdio

foi de 0.0156. Os parmetros da identificao, de acordo com a Figura 5-7, variam bastante

quando no filtrados. Reitera-se, portanto, a necessidade de submeter a identificao a um

filtro passa-baixa Butterworth de segunda ordem, com frequncia de corte de 1Hz, feito em

software, como no caso da maquete.

Comparando-se com os resultados obtidos com a maquete, v-se que as variaes so

mais frequentes ao longo do tempo, e estas tm maior amplitude. Isso refletido no erro

quadrtico mdio, que um pouco maior do que aquele para a identificao na maquete.

claro que essas perturbaes influenciaram no controle, o que ser analisado a seguir.

5.2.2 Controle com Carga Trmica Constante

O primeiro resultado que tivemos foi a sada e o sinal de controle do controlador ON-OFF,

representados pelas Figuras 5-8 e 5-9, respectivamente.

Figura 5-8. Medio de temperatura usando controle ON-OFF com histerese.

42

Figura 5-9. Sinal de controle do controlador ON-OFF.

A Figura 5-10 mostra o controle da temperatura quando o atuador est associado a um

controlador PI. A Figura 5-11 ilustra o sinal de controle deste controlador.

Figura 5-10. Medio de temperatura usando controle PI.

43

Figura 5-11. Sinal de controle do controlador PI.

A seguir, tem-se o desempenho do controlador adaptativo. A Figura 5-12 mostra a

temperatura do ambiente controlada por um controlador RST. A Figura 5-13 mostra o seu sinal

de controle.

Figura 5-12. Medio de temperatura usando controle RST.

44

Figura 5-13. Sinal de controle do controlador RST.

Com todos estes resultados, faremos a comparao de desempenho, levando em conta o

tempo para atingir a referncia e a exigncia de acionamento.

Assim como na maquete, vemos que ON-OFF o mais rpido, de acordo com a Figura

5-8. Comparando-se com o controlador RST, no entanto, a diferena de tempo para alcanar a

referncia no exatamente uma vantagem. Este controlador o que mais gasta energia,

como podemos ver pela Figura 5-9.

O controle original do ar condicionado da sala era do tipo ON-OFF diferencial, pois

baseava-se apenas em um valor referencial. Desta forma, possvel dimensionar a melhora

que os outros controladores adicionariam ao sistema. A equao (5.8) define essa melhoria em

termos matemticos, em que a energia, em kWh, gasta pelo controlador original,

a energia gasta pelo controlador novo e % o percentual de melhoria.

100 = % (5.8)

45

Em termos de percentual, vemos que a melhora de:

Tabela 5-1. Relao entre tipos de controladores e melhoria em termos de energia.

Controlador Percentual de melhoria (em relao ao ON-OFF)

PI 53,36%

RST 48,88%

No foi possvel fazer o mesmo para a maquete, pois no tnhamos como medir a energia

gasta pelo secador de cabelos.

V-se, pela Tabela 5-1, que o controlador PI, em relao ao RST, o que menos gasta

energia, principalmente no comeo do acionamento, nos primeiros 15 minutos transcorridos,

como possvel verificar pelas Figuras 5-11 e 5-13. Ainda analisando estas figuras, aps 30

minutos aproximadamente, o desempenho dos dois, em termos de sinal de controle, passa a

ser parecido. A diferena em termos de percentual de melhoria entre os dois de 4,48%.

Quanto ao tempo para alcanar a referncia, o RST mais rpido que o PI, com uma

diferena de 20 minutos.

5.2.3 Controle com Carga Trmica Varivel

Nesta etapa do projeto, expomos o ar condicionado da sala a perturbaes cotidianas,

como pessoas em reunio, ou apenas estudando na sala, e a porta sendo aberta vrias vezes.

Esta a configurao mais importante na definio de um bom controlador, que quando o

ambiente est em uso.

Para fazermos as devidas comparaes, o experimento foi refeito para o controlador ON-

OFF, o controle original do ar condicionado. As Figuras 5-14 e 5-15 mostram, respectivamente,

a sua sada e o seu sinal de controle.

46

Figura 5-14. Medio da temperatura usando controlador ON-OFF, com perturbaes.

Figura 5-15. Sinal de controle do controlador ON-OFF, com perturbaes.

47

Para o controle PI, chegamos s Figuras 5-16 e 5-17, que ilustram a sada em termos de

temperatura e o sinal de controle, respectivamente.

Figura 5-16. Medio da temperatura usando controlador PI, com perturbaes.

Figura 5-17. Sinal de controle do controlador PI, com perturbaes.

48

Para o controlador RST, podemos ver seu desempenho pelas Figuras 5-18 e 5-19.

Figura 5-18. Medio da temperatura usando controlador RST, com perturbaes.

Figura 5-19. Sinal de controle do controlador RST, com perturbaes.

49

Fazendo o mesmo clculo percentual de melhoria feito para o caso sem variao da

carga trmica , temos a Tabela 5-2:

Tabela 5-2. Relao entre tipos de controladores e melhoria em termos de energia, em comparao com o

controlador ON-OFF, com perturbaes.

Controlador Percentual de melhoria (em

comparao ao ON-OFF)

PI 38,53%

RST 41,32%

Em se tratando do caso com perturbaes, vemos que o RST mais econmico e,

portanto, a caracterstica adaptativa torna o controlador melhor, como imaginvamos.

Analisando as Figuras 5-16 e 5-18, vemos que, quanto ao acionamento, no comeo, o

controlador PI menos exigente, mas, ao longo do tempo, este gasta mais energia do que o

RST, com uma diferena de 10% a 15% entre os dois. A economia de energia efetiva de

2,79%, como possvel checar a partir da Tabela 5-2 acima. Seria o caso, tambm, de utilizar

um controlador inicial PI, e fazer a transio para o RST perto do ponto de operao.

Ainda nas Figuras 5-17 e 5-19, em termos de rapidez, v-se que o PI demora mais que o

RST para atingir a referncia, com uma diferena de um pouco mais de 1 hora.

Ao se comparar o desempenho quanto a atingir a referncia do controlador RST com e

sem variao trmica, olhando as Figuras 5-13 e 5-19, vemos que este no muda muito, com

uma variao em torno de 5 a 6 minutos.

O clculo do erro RMS de cada sinal de controle dado pela frmula (5.9), a seguir:

= 1

( )=1 (5.9)

Em que:

o erro RMS do sinal de sada relativo referncia;

o nmero de amostras;

a referncia, e;

a medida de nmero na amostra.

50

Com a equao (5.9), calculamos o erro quadrtico mdio do sinal de controle visto nesta

sesso.

A Tabela 5-3 resume o desempenho de cada controlador, nas duas configuraes de

carga trmica.

Tabela 5-3. Tabela resumo de desempenho dos controladores (configurao, erro RMS e consumo

energtico).

Carga Trmica

Controlador ON-OFF Controlador PI Controlador Adaptativo

[] Consumo

[kWh] []

Consumo [kWh]

[] Consumo

[kWh]

Constante 0,1399 6,69 1,5524 3,12 0,5291 3,42

Variante 0,1236 7,89 1,1850 4,85 0,4342 4,63

51

6 Concluso

Como era proposta deste trabalho, devamos elaborar um controlador adaptativo para um

sistema de ar condicionado hbrido e comparar o seu desempenho com as tcnicas clssicas

de controle, ON-OFF e PI. Para tanto, foi necessrio fazer uma boa identificao do sistema.

Fizemos uma identificao recursiva de uma sala de reunies de um laboratrio, feita

com base no algoritmo de Mnimos Quadrados Recursivo, para a sala e para uma maquete de

madeira. O erro quadrtico mdio obtido para a sala foi de 0,0156, e para a maquete,

7,69 104. A identificao recursiva rpida, pois h o paralelismo na ao de identificar e de

coletar dados, e mais assertiva, principalmente se adaptarmos o algoritmo de identificao

com um fator de esquecimento, cuja funo priorizar as medidas mais recentes.

Posteriormente, a estimao dos parmetros determinada pela identificao ser usada

no design de um controlador adaptativo. priori, foram desenvolvidos controladores ON-OFF,

e PI, estes ltimos associados a um PWM, os quais foram testados em uma maquete de

madeira. O uso de uma maquete justificado por ser um ambiente no sujeito a grandes

perturbaes trmicas (um grupo de pessoas entrando) e pela sua dinmica rpida.

Sobre os controles clssicos, chegamos concluso que o PI mais vantajoso para esse

tipo de trabalho, uma vez que o mais econmico em termos de acionamento, apesar de e

pelo fato de ser o mais lento. O ajuste do PI foi feito segundo o modelo CHR [Chien, Hrone e

Reswick, 1952].

A finalidade de se fazer um controle adaptativo a de tornar um controlador simples mais

flexvel demanda de carga. Com isso em mente, elaboramos um controlador RST, que estar

sujeito aos parmetros obtidos na identificao, a partir de uma realimentao direta com os

parmetros calculados pela identificao.

Sobre o experimento na maquete, observamos que, em termos de acionamento, vemos

que os controladores clssicos gastam mais energia, embora sejam um pouco mais rpidos,

caracterstica visvel para o controle ON-OFF. Isso mostra que se gasta menos energia com

uma abordagem adaptativa. Devemos esclarecer que, embora o controle adaptativo seja mais

lento, isto no exatamente um problema em se tratando de processos trmicos, em que as

variaes so lentas. Podemos acrescentar ainda um aspecto benfico dessa lentido, que

no exigir demais do atuador ao mudar de estado (ligado e desligado). preciso certo tempo

52

para ligar e desligar o compressor e, caso este tempo no seja respeitado, a vida til do

aparelho reduzida sensivelmente.

Ao fazer o experimento na sala de reunies do laboratrio, consideramos duas

configuraes: uma situao em que a variao trmica mnima, isto , h pouca variao

trmica, e outra situao, com bastante variao, a qual denominamos, ao longo do trabalho,

como perturbaes.

Para um ambiente sem variao trmica, vimos uma peculiaridade em relao ao que foi

concludo no experimento da maquete: o controlador PI se saiu melhor quanto economia de

energia. Alm disso, vimos que este controlador foi um pouco mais lento que o RST, resultado

contrrio ao comprovado anteriormente. O fato que um ambiente com pouca variao trmica

possui parmetros mais constantes, e, assim, a caracterstica adaptativa do controlador RST

no foi observada.

Quando expostos variao trmica, tivemos o resultado que espervamos: o

controlador RST mostrou grande economia de energia em relao ao controlador ON-OFF, e

relativa economia em relao ao controlador PI. Inclusive, o controle adaptativo foi mais rpido

que este ltimo, com uma diferena de tempo um pouco mais de 1 hora. Devemos esclarecer

que, quando falamos do aspecto benfico de uma demora do controlador para atingir a

referncia, em virtude da grande diferena temporal para este caso especfico, essa lentido

deixa de ser benfica.

Com isso, conclumos que o controlador RST, para ambientes trmicos sujeitos a

variaes trmicas, a melhor opo, tanto em desempenho quanto em rapidez, dentro do

contexto deste projeto.

Este trabalho espera auxiliar outros pesquisadores em ambientes prediais inteligentes do

Laboratrio de Automao e Robtica. Salientamos que possvel otimizar alguns resultados.

Seguem abaixo algumas sugestes:

Usar mais variveis na estimao do modelo, como humidade, radiao solar,

temperatura das salas vizinhas;

Utilizar mdulos de rede sem fio que possuem um menor consumo de energia;

Testar outros algoritmos de identificao, como o Filtro de Kalman e suas variantes

de estimao no-linear;

53

Utilizar outras tcnicas de controle adaptativo,

Desenvolver um controlador hbrido, em que duas ou mais tcnicas de controle

sejam empregadas, de acordo com a necessidade, e;

Integrar com um sistema de deteco de pessoas, de modo a obter uma melhor

estimao da carga trmica presente.

54

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