DESENVOLVIMENTO DE UMA PLANTA DE QUATRO TANQUES PARA
APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE CONTROLE MULTIVARIÁVEL
Autores: Darlan Felipe KLOTZ, Matheus GUESSER, Rafael Garlet de OLIVEIRA.
Identificação autores: Acadêmico do Curso de Engenharia de Controle e Automação - IFC - Câmpus Luzerna; Acadêmico
do Curso de Engenharia de Controle e Automação - IFC - Câmpus Luzerna; Orientador e Professor do Curso de Engenharia
de Controle e Automação - IFC - Câmpus Luzerna.
Introdução
Em ambientes industriais, muitos processos necessitam que os níveis de líquidos
sejam mantidos em valores desejados para o bom desempenho da produção. Para isso um
controle automático é muito útil, mantendo estes valores estáveis, rejeitando possíveis
perturbações. Além das indústrias, outros setores podem ser beneficiados, como residencial e
agropecuário, com sistema que reduza os possíveis erros causados por um controle manual
dos processos que envolvam líquidos.
“A região Oeste do Estado, formada por 122 municípios, se destaca por seu parque
industrial voltado para o setor agroindustrial. Em Santa Catarina, este setor responde por
38,3% das exportações do estado. São quase US$ 1 bilhão anuais em carnes de frango e
suínos.” (IFC, 2011). Devido a essa importância e a larga aplicação das técnicas de controle
moderno na indústria, este projeto se propôs a estudar detalhadamente e desenvolver um
processo de tanques acoplados, em escala de laboratório, que foi construído para servir de
plataforma para a implementação e avaliação de diferentes estratégias de controle em um
processo multivariável não-linear.
A planta didática desenvolvida será utilizada nas disciplinas de controle do Curso de
Engenharia de Controle e Automação, cujos laboratórios possuem deficiências em
equipamentos deste seguimento, contribuindo assim para o aprendizado dos alunos e a
qualidade do curso.
Material e Métodos
O sistema a controlar consiste num processo multivariável de quatro tanques de água
interconectados. A dinâmica linearizada do sistema tem um zero multivariável que pode ser
movido ao longo do eixo real, alterando-se a abertura da válvula, o mesmo foi concebido de
forma que sua dinâmica possa passar de fase mínima à fase não-mínima através do ajuste
desta válvula. Deste modo, o sistema de quatro tanques é ideal para ilustrar vários conceitos
do controle multivariável (JOHANSSON, 2000). A Figura 1 representa o esquema da planta a
ser controlada.
Figura 1 - Esquema Físico da Planta de Nível
Fonte: Johansson, (2000).
A metodologia do trabalho consiste na leitura dos níveis do tanque 1 e do tanque 2
por sensores ultrassônicos. Os níveis dos tanques 3 e 4 foram estimados através de um
estimador de ordem completa ( também conhecido como filtro de Luenberger). A aquisição e
processamento dos sinais dos sensores são realizados por uma placa arduíno. Este também é
responsável pelo acionamento do driver de comando das bombas 1 e 2 indicadas na figura
anterior.
No entanto, o arduíno é apenas uma interface entre o controlador e a planta, sendo
que a função principal de controle é designada ao software Matlab. Assim, toda a modelagem
do sistema e técnica de controle foi programada diretamente ao Matlab, sendo uma
ferramenta de alto nível para análise e simulação de sistemas de controle.
Para o correto entendimento do funcionamento do sistema a controlar, devem ser
consideradas as variáveis envolvidas em uma malha de controle. O Matlab recebe do arduíno
o sinal dos níveis 1 e 2 e calcula a diferença entre a variável do processo e o seu valor
desejado (valor de referência). Em meio ao erro calculado, gera um sinal de controle e o envia
para o arduíno que aciona o driver de comando das bombas a fim de eliminar essa diferença.
Vale ressaltar, que como a planta possui quatro estados (nível dos tanques 1,2,3 e 4)
e apenas duas saídas de controle (bomba 1 e 2) temos controle apenas sobre os níveis dos
tanques 1 e 2, sendo os níveis 3 e 4 consequências destes primeiros.
Resultados e discussão
O projeto baseou-se em estudar e aplicar técnicas de controle moderno em um dos
sistemas mais típicos e presentes no âmbito industrial: Controle de nível. A fim de enriquecer
essa análise, foi escolhido como objeto de estudo uma planta composta de quatro tanques com
duas bombas e duas válvulas, no qual se caracteriza perfeitamente um sistema multivariável.
Para elaboração do controle em questão, fez-se necessária a realização da
instrumentação da planta de nível e o desenvolvimento do algoritmo de controle no software
de simulação gráfica Matlab, visto que este foi utilizado como controlador do sistema através
de um arduíno, o qual é a interface entre a planta e o controle.
Inicialmente, para o desenvolvimento deste projeto, foi realizado o levantamento de
requisitos e levantadas as características que a planta deve ter com o auxílio dos professores,
seguindo as necessidades da instituição. Então, com o auxilio do Software gráfico AUTOCAD
pôde-se desenvolver um modelo para a planta, seguindo as definições estabelecidas
anteriormente. Com um leiaute definido teve início a aquisição dos componentes e a
montagem física da planta. Tendo a base da planta já efetivamente pronta, deu-se início o
desenvolvimento da parte elétrica e eletrônica, esta responsável pelo controle do nível.
Como mostrado na Figura 1, a planta a ser utilizada possui quatro tanques, que estão
dispostos de forma que a vazão de saída dos tanques superiores é inserida diretamente nos
tanques de baixo. As bombas são responsáveis pela entrada de água nos tanques, sendo que
operam independentemente uma da outra.
Dentre as tarefas que foram desenvolvidas, destacam-se o desenvolvimento da
instrumentação do processo a controlar, a comunicação entre planta e computador e o
algoritmo de controle via Matlab.
Um dos principais interesses do trabalho foi implementar um processo real que
possa contribuir para a melhor estruturação do laboratório de automação, visto que o sistema
de controle será empregado pelos professores no desenvolvimento das disciplinas do curso de
engenharia de controle e automação. Vale ressaltar que houve uma integração de um grande
número de matérias da grade curricular do curso de Engenharia de Controle e Automação.
A técnica de modelagem utilizada inicializou-se a partir da linearização das
equações do sistema em torno de um ponto de operação, visto que o sistema é não linear.
Conclusão
O projeto se mostrou bastante útil, pois possui o propósito de controlar várias
grandezas integradas em uma única planta e demonstrar um exemplo prático de controle de
processos presente no âmbito industrial.
Esse processo de tanques acoplados foi adequado para ser utilizado no estudo de
controle multivariável porque é bastante comum em escala industrial, principalmente nos
ramos químico, petroquímico, de celulose e de alimentos.
Desta forma, o sistema possuiu não só fins de pesquisa, mas também educacionais,
provendo um ambiente onde os estudantes poderão estudar e executar projetos eficazes de um
sistema de controle multivariável, desde a modelagem até o teste experimental de diferentes
técnicas abordadas.
Referências
IFC, Projeto pedagógico do curso superior em engenharia de controle e automação –
bacharelado, Luzerna – SC. 2011.
JOHANSSON, KARL HENRIK. The Quadruple-Tank Process: A Multivariable Laboratory
Process with an Adjustable Zero, IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS
TECHNOLOGY, VOL. 8, NO. 3, MAY 2000.
OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall. 2010.
SHINSKEY, F. G. Controlling Multivariable Processes. Instrument Society of America,
Research Triangle Park, NC, 1981.