Mestrado em Automação e Controle de Processos

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Controle preditivo baseado em modelo (MPC) aplicado a uma planta didática
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2020-08-20) Prata, Tiago Correa; Campo, Alexandre Brincalepe
O MPC é uma técnica de controle que vem ganhando atenção ao longo dos últimos 50 anos e, atualmente, ela figura entre uma das técnicas com maior destaque no controle preditivo, tendo inúmeras aplicações comerciais, desde sua implementação no controle de processos multivariáveis em indústrias químicas, até a construção de lógicas para a orientação de veículos autônomos. Esta dissertação trata da implementação de um controle preditivo baseado em modelo, aplicado a uma planta piloto, abordando todo o processo de construção e desenvolvimento do mesmo, visando proporcionar um entendimento claro de cada um das etapas. Inicialmente é apresentado um levantamento teórico sobre otimização e controle preditivo baseado em modelo e então introduzida a planta objeto de estudo desse trabalho e suas modelagens teóricas e experimentais. A parte prática deste trabalho é desenvolvida principalmente em MATLAB® com o complemento de alguns códigos em Python, e implementada na planta piloto, visando uma fácil replicabilidade. Por fim é apresentado um comparativo entre diferentes controladores MPC utilizando os modelos teóricos e experimentais levantados da planta e a verificação do seu desempenho em comparação com um controlador PID.
Desenvolvimento de ferramenta computacional para projetos de Redes Neurais Artificiais
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 17/04/2013) Gonçalves, Hugo da Silva Bernardes; Campo, Alexandre Brincalepe
Este trabalho apresenta um conjunto de ferramentas computacionais desenvolvidas especialmente para projetos de Redes Neurais Artificiais (RNA’s) com algoritmos de retropropagação. Estas ferramentas são construídas através de uma plataforma baseada em linguagem gráfica (LabVIEW), propondo uma alternativa de fácil interpretação para a construção de RNA’s. Também é apresentada uma interface intuitiva para construção de modelos de RNA’s do tipo Perceptron de múltiplas camadas com algoritmo de retropropagação. A interface é disponibilizada na Web, possibilitando ao usuário criar ou treinar uma RNA através da internet. É possível, desta forma, extrair os resultados ou o modelo após o treinamento da rede. A engenharia de software aplicada ao desenvolvimento da ferramenta permite a apresentação das principais configurações para o treinamento das RNA’s com algortimo de retropropagação. Os modelos gerados são testados para verificação das ferramentas e verificação da sua facilidade de utilização.
Desenvolvimento de ferramenta para configuração de sistemas de controle em dispositivos embarcados (IoTControl)
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 27/09/2017) Martins, Danilo Oliveira; Campo, Alexandre Brincalepe; Fernandes, Almir
Este trabalho descreve o desenvolvimento de uma ferramenta para sistemas de controle e supervisão de dados em dispositivos embarcados. Esta ferramenta é capaz de configurar parâmetros de controle dinamicamente, dispensando interromper o processo, possibilita acesso e operação remota. O foco deste trabalho consiste no desenvolvimento do programa aplicativo computacional de controle e a interface de rede que permite a interação homem máquina, sendo que com esta interface é possível realizar o controle e supervisão do processo, possibilitando ao usuário supervisionar e selecionar algoritmos. O programa computacional aplicativo está embarcado no dispositivo físico conectado ao processo a ser controlado. Este aplicativo apresenta, em sua tela inicial, o modelo de controlador selecionável pelo usuário, permite a mudança em tempo de execução da estrutura do controlador, assim como dos parâmetros que o definem. Os modelos sugeridos pelo aplicativo devem ser selecionados pelo usuário e configurados para o objeto de controle desejado. Desta forma caberá ao usuário estabelecer os parâmetros iniciais, bem como qual modelo melhor se aplica ao objeto de controle. A configuração e definição dos parâmetros de entrada além de possíveis distúrbios a serem simulados no sistema devem ser definidos a partir da seleção inicial do modelo. O programa permite o teste de diversas estruturas de controle através do uso de uma interface gráfica intuitiva e permite ainda a coleta de dados do sistema que está sendo testado para que sejam aplicadas técnicas de ajuste de parâmetros de controle, sintonizando o controlador. O sistema proposto foi verificado em uma planta de controle experimental, composta de um motor elétrico com encoder acoplado ao dispositivo computacional por uma interface eletrônica, sendo que suas funcionalidades foram testadas e avaliadas através de métodos gráficos. Para interação com o sistema foi utilizado um aparelho de telefone celular com acesso a internet, utilizado como interface visual.
Desenvolvimento de um algoritmo em FPGA para detecção automática de eventos anormais em sinais elétricas
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 05/04/2016) Azevedo, Renan Airosa Machado de; Campo, Alexandre Brincalepe
Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um algoritmo em FPGA baseado na técnica estatística de correlação para criar um sistema automático de detecção de eventos anormais em sinais elétricos. A implementação desta técnica pode ser considerada um primeiro passo no desenvolvimento de osciloscópios digitais de alto desempenho com possibilidade de expansão de suas funcionalidades. A escolha desta linha de pesquisa ocorreu por conta da ocorrência cada vez maior de eventos indesejados em sinais elétricos, principalmente devido à alta integração de transistores em circuitos integrados. Estas ocorrências podem causar falhas em produtos após seu lançamento no mercado devido aos osciloscópios não possuírem uma arquitetura que permita capturar cem por cento dos eventos durante a fase de validação e teste. Isto ocorre porque todos os osciloscópios possuem um intervalo de tempo conhecido como dead time, em que o instrumento fica impossibilitado de detectar qualquer sinal por conta da realização de tarefas relacionadas ao processamento e exibição dos dados na tela. Com base nestes desafios, este trabalho apresenta uma alternativa para lidar com o teste de integridade de sinais, por meio de um algoritmo implementado em FPGA que resultou na detecção de todos os eventos aleatórios perante as condições de teste estipuladas por este trabalho. No final do trabalho são apresentados os desafios encontrados durante a etapa de desenvolvimento, principalmente em relação à dificuldade em programar um código otimizado o suficiente para este tipo de aplicação, de maneira a garantir que o chip FPGA tenha os recursos de hardware necessários para reproduzir o funcionamento esperado do sistema. Por fim, algumas limitações do trabalho são explanadas para o desenvolvimento de futuras pesquisas.
Desenvolvimento de um dispositivo vestível para medição de sinais fisiológicos: aplicação em casos de epilepsia
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 12/04/2016) Cesar, Wallece Diego Alves; Campo, Alexandre Brincalepe
A morte súbita associada com epilepsia é um importante problema clínico, sendo a causa mais frequente de morte diretamente relacionada à epilepsia. Ela ocorre principalmente em crises tônico-clônicas generalizadas em que a supressão eletroencefalográfica pós-ictal generalizada possui uma duração prolongada. Há suspeita de que estejam associados a estes eventos algumas variações nas medidas de sinais fisiológicos, tais como: acelerometria, temperatura corporal, frequência cardíaca e condutância da pele. Baseado em um produto lançado no mercado, o E4 Wristband da empresa Empatica®, buscou-se especificar e analisar a operação de dispositivos para utilização em um protótipo vestível, com a finalidade de executar a aquisição, a transmissão e a gravação de longa duração. Todos os componentes foram testados e os sinais foram medidos com sucesso e dentro dos requerimentos do projeto. Além disso, um protótipo vestível foi projetado para integração de todos os sensores, microcontrolador, bateria e transmissor de dados para gravação em memória flash em uma unidade remota. Este trabalho é uma primeira etapa em que foram estudadas e aplicadas as técnicas para medição de sinais fisiológicos, transmissão de dados via bluetooth e gravação em memória flash. Este trabalho norteia o prosseguimento da pesquisa na área até que sejam realizadas medições contínuas em pessoas com epilepsia para correlação de dados com auxílio de um profissional da medicina e a confirmação ou não de que esses sinais sejam biomarcadores autonômicos.
Desenvolvimento de um robô hexápode para estudos de adaptação de caminhada em ambientes não estruturados
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 2013) Bachega, Rafael Pereira; Campo, Alexandre Brincalepe
O presente trabalho apresenta a construção do robô hexápode biologicamente inspirado (MYRMEX-I) para ser usado como plataforma de desenvolvimento experimental e validar arquiteturas de controle. O robô será controlado por meio de um FPGA (Field Programable Gate Array). Sua principal contribuição é a criação de uma estrutura baseada em FPGA para a implementação dos algoritmos da cinemática inversa do robô, bem como introduzir sensores que permitem seu controle dinâmico, baseando na realimentação de forças. O controlador escolhido possibilitou a configuração para uma aplicação específica, um consequente ganho no desempenho aproveitando o paralelismo intrínseco desta arquitetura, e permite calcular as reações em tempo real. Para o controle, usou-se o programa gerador de módulos aritméticos FloPoCo – Floating-Point Cores, tendo por objetivo implementar a solução do algoritmo proposto para o robô hexápode desenvolvido. É feita a descrição da estrutura para esse tipo de robô, são apresentados os equacionamentos de seu modelo cinemático e proposta de trajetória do ponto de apoio das pernas, assim como, a configuração adotada para o FPGA. Durante a fase de desenvolvimento do robô (eletrônica e mecânica), foi possível encontrar os pontos com maiores níveis de tensão e compressão, a fim de enviar sinais para os transdutores, e medir indiretamente as forças de contato entre as pernas e o terreno. Os transdutores foram submetidos a experimentos e calibração que permitiram avaliar o seu desempenho. Este estudo permitiu alocar teoricamente nas melhores posições da estrutura mecânica um grupo de sensores, capazes de transmitir informações que representam o estado do robô e suas interações com o ambiente.
Estudo comparativo de um controlador PID de ordem fracionária com um controlador PID convencional
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 10/04/2014) Schneiater, Rodrigo; Campo, Alexandre Brincalepe
O cálculo fracionário vem sendo cada vez mais aplicado a sistemas de controle, porém devido ao alto grau de complexidade envolvida e à falta de ferramentas estabelecidas e de métodos de sintonia, poucos são os experimentos práticos realizados. Este trabalho apresenta um estudo comparativo de desempenho entre um controlador PID convencional e um controlador de ordem fracionária PIλDμ, onde são analisados aspectos de tempo de resposta, sobressinal e erro do controlador. Para o desenvolvimento e simulação dos sistemas de controle é utilizado o ambiente LabVIEW e para a implementação do sistema é utilizado o controlador de tempo real, CompactRIO – ambos da National Instruments. Para o experimento, é realizado o controle de posição de um motor CC por meio da planta educacional QET DC Motor da Quanser. A implementação do controlador PIλDμ no LabVIEW é feita de maneira genérica, de forma que permite o uso deste em outros trabalhos como ferramenta de controle. O controlador tem como entradas o sinal de erro, E(s), e os cinco parâmetros do controlador (Kp, Ki, λ, Kd, e μ) e o sinal de saída, U(s).
Otimização de uma central de controle de motores
(Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo (IFSP), 12/09/2017) Serafin, Vitor Matos; Campo, Alexandre Brincalepe
O trabalho apresenta o projeto de automação e controle de uma Central de Controle de Motores (CCM). O sistema desenvolvido é usado para controle do bombeamento de água sob pressão, para a alimentação de trocadores de calor industriais e máquinas termodinâmicas do centro técnico de pesquisa e desenvolvimento de motores diesel (BTC) da Cummins Brasil. A solução apresentada tem como objetivo o uso racional e sustentável dos recursos naturais, para economizar energia elétrica e reduzir o consumo de água do sistema. Estes objetivos podem ser atingidos por meio do controle do ciclo de trabalho (duty cycle) dos diversos motores elétricos da aplicação e do controle do setpoint de pressão e da vazão de água nominal do processo, de acordo com a demanda térmica solicitada pelo sistema. O sistema de controle projetado foi desenvolvido para atender à demanda de refrigeração térmica variável do processo. Ressalta-se que o consumo de água é proveniente, em sua maior parte, do arraste de partículas de água por meio dos ventiladores das torres de refrigeração, evaporação e drenagem do sistema. A planta do processo está descrita neste trabalho, onde ficam evidentes as melhorias implementadas no sistema e os resultados obtidos. Após o processamento dos dados, foi constatada uma redução de 40% no consumo de energia elétrica e de 28.8% em água.
Simulação e controle de um LEVMAG numa plataforma gráfica de desenvolvimento (LabVIEW)
(IFSP, 13/03/2013) Rech, Evandro; Campo, Alexandre Brincalepe
Este trabalho apresenta as etapas e critérios adotados para a construção e simulação de um regulador linear quadrático (RLQ) para um LEVMAG (Levitador Magnético) no programa LabVIEWTM, assim como sua posterior utilização em um microcontrolador. LEVMAGs se aplicam em situações em que é necessária a eliminação do atrito por contato, das quais se podem citar os motores com mancal magnético e trens LEVMAG de alta velocidade. A instabilidade em malha aberta e as não linearidades presentes neste tipo de planta possibilitam o estudo de uma série de técnicas de controle e sua discretização para uso em microcontroladores. O protótipo LEVMAG construído para este trabalho possui uma estrutura simples, a qual pode ser reproduzida para estudo em outros trabalhos. A etapa potência constitui-se de um circuito de acionamento chaveado, controlado por PWM (Modulação por largura de pulso — Pulse- Width Modulation). A medição dos sinais de posição e corrente elétrica do LEVMAG é feita por sensores de efeito hall dedicados para cada função. A malha de controle é fechada através da placa EK-LM3S8962, a qual possibilita a programação de um microcontrolador através da linguagem gráfica do LabVIEWTM. O modelo matemático do LEVMAG é obtido, linearizado e parametrizado para a construção do controlador RLQ, a qual é feita de forma iterativa. Os critérios fixos de projeto do controlador são o limite de operação do circuito de acionamento e resposta sem sobressinal. Para avaliação do controlador, utilizam-se as funções não lineares que descrevem o LEVMAG e elaboram-se blocos configuráveis para sua simulação no módulo Control Design and Simulation do LabVIEWTM. O simulador é desenvolvido para utilizar o mesmo algoritmo de controle a ser embarcado na placa EK-LM3S8962, dessa forma os recursos da simulação serão os mesmos do ensaio prático. Nas simulações avalia-se a resposta transitória do sistema ao variar a posição de referência. No ensaio prático também se analisa a resposta transitória para validação das simulações realizadas. Os resultados obtidos demonstram que ainda há pequenas diferenças entre a operação no simulador e a prática, entretanto há informações na simulação suficientes para avaliar como será a operação do LEVMAG na prática, como sua faixa efetiva de controle. Ao final do trabalho, apontam-se diversas possibilidades de trabalhos futuros, envolvendo modificações físicas da planta, co-simulação entre os programas MultisimTM e LabVIEWTM, utilização de circuitos de acionamento integrados e avaliação de outras técnicas de controle.
Simulador de processos industriais aplicado ao ensino da teoria de controle de processos industriais
(IFSP, 18/09/2017) Francisco, Marcos Salazar; Campo, Alexandre Brincalepe
Este projeto consiste na elaboração de um simulador de processos embarcado em um hardware, que recebe os sinais de um controlador lógico programável (CLP). Ele tem a finalidade de simular uma resposta dinâmica de um processo e enviar os sinais para as entradas do CLP, fechando a malha de controle. O simulador é implementado num Arduino Due e interligado num CLP Stardom da Yokogawa, através de sinais analógicos. Esse trabalho também apresenta a modelagem de uma planta didática de processo industrial e a sua implementação no Arduino, incluindo as principais não-linearidades presentes no processo real. Isso possibilita utilizar um equipamento de baixo custo para execução das principais experiências que são realizadas durante o ensino da teoria básica de controle de processos industriais. Esse simulador também permite a elaboração de estratégias especiais de controle, tais como: controle em cascata, controle com restrições (override), controle de razão e controle antecipatório. Além disso, a execução das malhas de controle é realizada num CLP real, permitindo o uso do mesmo software, utilizado na indústria. Alguns exemplos de malhas de controle são implementados na planta didática original e no simulador, de forma que os resultados possam ser comparados. Isso colabora para a comprovação da similaridade entre as respostas da planta original e do simulador. Por fim, esse sistema deve permitir o projeto de laboratórios para o ensino dos conceitos básicos da teoria de controle, sem a necessidade de compra de pequenas plantas didáticas para simular os processos industriais.

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