CONTROLE DE ENERGIA EM MALHA FECHADO DE MOTOR DE CORRENTE CONTINUA

7/21/2019 CONTROLE DE ENERGIA EM MALHA FECHADO DE MOTOR DE CORRENTE CONTINUA

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Universidade Federal Mato Grosso do Sul

FAENG

André Freitas de Oliveira RGA: 2009.2103.049-8

Eduardo Martins Moreno RGA: 2009.2103.073-0

Hewerson Antonio Perdomo Jacquet RGA: 2009.2103.067-6

Suelen Akemi nakazato Yoza RGA: 2009.2103.084-6

Guilherme Souza Moura Castro RGA: 2009.2103.087-0

RELATÓRIO DE SISTEMAS DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

RELATÓRIO FINAL

CONTROLE DE ENERGIA EM MALHA FECHADO DE MOTOR

DE CORRENTE CONTINUA

Campo Grande – MSDezembro de 2014



André Freitas de Oliveira RGA: 2009.2103.049-8

Eduardo Martins Moreno RGA: 2009.2103.073-0

Hewerson Antonio Perdomo Jacquet RGA: 2009.2103.067-6

Suelen Akemi nakazato Yoza RGA: 2009.2103.084-6Guilherme Souza Moura Castro RGA: 2009.2103.087-0

RELATÓRIO FINALCONTROLE DE ENERGIA EM MALHA FECHADO DE MOTOR

DE CORRENTE CONTINUARelatório técnico apresentado como requisito

parcial para obtenção de aprovação na disciplinaSistemas de Controle e Automação, no Curso deEngenharia Elétrica, na Universidade Federal de

Mato Grosso do Sul

Prof. Dr. Cristiano Quevedo Andrea

Campo Grande – MS

Dezembro de 2014



SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO

2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA3. DESENVOLVIMENTO

3.1. OBTENÇÃO DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA

3.2. REDUÇÃO DO TEMPO DE ESTABELECIMENTO

3.3 . PROJETO DO PROPORCIONAL INTEGRADOR MATERIAISUTILIZADOS

4. CONCLUSÕES E RESULTADOS



1. INTRODUÇÃO

O principal conceito do projeto é manter automaticamente uma tensão constanteno terminal de um gerador, mesmo que haja a inserção de cargas no sistema.

O projeto visa desenvolver um controle de energia em malha fechada de umamáquina de corrente continua de ima permanente, atuando como motor, conectado aoeixo de uma outra máquina de mesma característica, porem atuando como gerador quealimenta um sistema de carga. O controle a ser desenvolvido será um proporcional-integrador, para que assim possa-se levar o erro de regime a zero, e com isso a manteruma tensão desejada nos terminais do gerador.



2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A engenharia de controle baseia-se no princípio da realimentação (ou retroação)e objetiva principalmente o controle de determinadas variáveis de um sistema. Emboraesteja tradicionalmente ligada a engenharia elétrica, a teoria de controle tem váriasaplicações em outras engenharias como mecânica, aeronáutica, e possui aplicaçõesnumerosas.

Um processo industrial simples permite ilustrar o problema básico da engenhariade controle. O exemplo adotado para o projeto é o controle de velocidade de um motorde corrente contínua em uma linha de produção industrial. O objetivo é manter constantea velocidade do motor, o qual aciona uma carga. Esta velocidade, denominada dereferência, pode ser escolhida pelo operador. A carga pode variar, mas mesmo assim avelocidade deve ser mantida o mais próximo possível da velocidade de referência.

Pode-se ainda considerar que além de possíveis variações da carga, o uso intensivodo sistema provocará desgastes e, portanto variações dos parâmetros do sistema com otempo. Uma primeira solução seria verificar a tensão a ser aplicada ao motor para que,acionando a carga, se obtenha a velocidade de referência. A velocidade de referência ω ref corresponde à tensão de armadura que deve ser aplicada para se obter a saída desejada.Se todos os parâmetros dos sistemas se mantiverem constantes, então a velocidadedesejada será obtida na saída do sistema. Se, no entanto, a carga variar, então a velocidadede saída não será a mesma. Como a entrada não tem nenhuma informação sobre a saída,um erro de velocidade persistirá. A variação de carga pode ser considerada como uma perturbação que atua no sistema.

Esta situação é um controle em malha aberta, pois nenhuma informação da saídareal do sistema é usada para modificar a entrada.

Uma segunda solução é fechar a malha de controle, ou seja, comparar a referênciadesejada com a saída e a diferença entre as duas, chamada de erro, é usado como entradado sistema. Um aumento de carga reduzindo a velocidade origina um erro maior,implicando em uma maior tensão de armadura no motor, que tende a aumentar a

velocidade e, portanto diminuir o erro. Neste caso o sistema tende a corrigir o erro develocidade, mesmo que haja variações de carga (ou perturbações) no sistema. Além disso,



variações dos parâmetros são levadas em consideração, aí então surge a o conceito derealimentação proveniente da teoria de controle.

Vale destacar que se faz importante que no regime permanente, que o erro de

velocidade com relação à referência seja praticamente nulo, e caso haja uma perturbaçãonovamente o erro de velocidade deve ser muito pequeno e nenhum.

Partindo do mesmo pressuposto, no regime transitório é fundamental que a plantaem malha fechada não tenha muitas oscilações, ou seja, tenha um bom amortecimento. Eainda, o sistema precisa estabilizar próximo ao ponto de equilíbrio e manter-se estável.

Para obterem-se todos esses requisitos que o sistema de malha fechada precisarespeitar, faz-se necessário muitas vezes à implementação de um controlador (Sistema de

Controle de Malha Fechada), satisfazendo assim os requisitos tanto de regime transitórioquanto de regime permanente.



3. DESENVOLVIMENTO

3.1 OBTENÇÃO DA FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DA PLANTAPara este subcapitulo foi proposto a análise e obtenção da função de

transferência da planta. Para este objetivo foi executado os seguintes passos:1. Acoplamento dos dois motores CC 12V;2. Aplica-se um degrau de tensão de 2V nos terminais de um dos motores partindo

de 6V até 8V para que este já estivesse em movimento e o degrau provocaria umaumento de velocidade;

3.

Mede-se a tensão dos terminais do outro motor com o osciloscópio;4. Calcula o tempo de estabelecimento da planta;

Para a obtenção da função de transferência de um sistema de primeiro grau,aplica-se o degrau na entrada e mede sua saída e segue na equação (1):

( ) =

∆∆

. + 1 (1)

Onde:∆

∆ = 0,4 ; é a relação entre a tensão de entrada 8V e a de saída 3,2V.

= 0,08 ; é a constante de tempo obtido com: = , onde Te = 320ms.

Portanto, substituindo o parâmetros na equação (1), obtemos:

( ) =0,4

0,08 + 1

(2)



Na Figura 1.1 segue a foto do osciloscópio com os dados obtidos e apresentados para a formulação dos cálculos da equação (2).

Figura 1.0.1 Degrau aplicado ao motor de corrente continua.

Simulação:Foi realizado uma simulação utilizando o software MATLAB para comprovar a

prática com a teoria. Abaixo o gráfico obtido.



Figura 1.0.2. Degrau aplacado a planta no MatLab.

3.2 REDUÇÃO DO TEMPO DE ESTABELECIMENTO

Neste subcapitulo, foi solicitado que fosse reduzido o tempo de estabelecimento pela metade, alcançando assim o valor de 160ms.

Para alcançar este requisito, devemos adicionar um controlador proporcional demodo a adicionar um ganho no sistema fazendo assim que alcance o valor.

O valor encontrado para o ganho foi de 3,5 e, para a implementação comamplificadores operacionais, devemos seguir a equação (3):

= 1 + (3)

Na Figura 1.3 a tela do osciloscópio com o valor alcançado de 130ms.



Figura 1.0.3. Imagem do osciloscópio quando aplicado um degrau na planta.



Simulação:Foi feita a simulação do sistema com a adição do controlador, segue na Figura

1.4Figura 1.0.4. Simulação da planta realizada no MatLab.

Conforme simulação, é encontrado os mesmos 130ms, como observado naFigura 1.4.

3.3 PROJETO DO PROPORCIONAL INTEGRADOR

Nesse laboratório, realizamos a montagem do controlador PI, proporcional integrador,onde o principal objetivo nesse modelo de controle é levar o erro de regime a zero, ouseja, a tensão gerada ser a mesma da tensão oferecida na carga inserindo um pólo naorigem e um zero bem próximo do pólo na malha direta. No laboratório, mantivemos o compensador proporcional com ganho K=1 em série, e nãoem paralelo como mostra a Figura 1.5, maneira didática de mostrar o PI, porém muitodifícil programar na indústria em paralelo.



Figura 1.5 Esquemático do Controlador Proporcional-Integral

Segue na Figura 1.6, o projeto controlador PI, foto real da planta já compensada:Figura 1.6. Projeto implementado em laboratório.

Observações:

Uma análise e uma dificuldade que tivemos na hora de executar o projeto, oamplificado operacional estava saturando, não entregava a tensão que deveria de acordocom o projeto, entregava algo em torno de 10 vezes o valor, foi invertido a sequência doscomponentes, o buffer foi colocado antes do integrador, numa observação criteriosa do professor, isso corrigiu o problema da tensão negativa e com valor diferente do esperado.Podemos observar de acordo com os gráficos anteriores que o erro chegou a zero, e otempo de estabelecimento diminuiu, segue abaixo foto para conferencia.



4. CONCLUSÕES E RESULTADOS

O objetivo da primeira atividade realizada no laboratório, era encontrar a

função de transferência do sistema proposto, que consistia em um controle deenergia em malha fechada de um motor cc. Para isso, foi medido a tensão deentrada e saída, a relação obtida entre as tensões foi de 0,4. Através doosciloscópio foi medido o tempo de estabelecimento da planta, sendo esta de320ms. Então, a constante de tempo calculada foi de 0,08s, encontrando-se assimtodos os parâmetros da função de transferência do sistema. Para comprovar oexperimento, utilizamos o software MATLAB, e simulamos a FT para umaentrada em degrau, confirmando os resultados do experimento.

No segundo experimento realizado, a meta era reduzir o tempo deestabelecimento do sistema para 160ms. Para isso, foi adicionado um ganho proporcional de 3.5, conseguindo reduzir o tempo de estabelecimento para 130ms. Novamente os resultados foram comparados com os resultados computacionais,sendo os dois iguais, concluímos que o experimento estava correto.

Para o terceiro experimento foi inserido um controlador PI, de modo acorrigir o erro de regime permanente.



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