Aplicação de controle utilizando o método do lugar geométrico das raízes em uma planta industrial didática virtual desenvolvida no unity

Abstract

RESUMO: As plantas industriais didáticas de instrumentação e controle são ferramentas para alunos do curso de engenharia inteirar-sem com o conceito de controle automático. Esse modo de ensino-aprendizagem pode se tornar mais dinâmico com o auxílio da tecnologia de Realidade Virtual, desenvolvendo simulações em ambientes virtuais. Na indústria, essa tecnologia pode ser utilizada para treinamentos de funcionários, sem prejudicar a produção e garantindo segurança. Este trabalho de conclusão de curso foi inspirado nos resultados preliminares de um projeto de iniciação científica do Instituto Federal do Espírito Santo de Linhares, no qual uma planta industrial didática no Unity para treinamento dos alunos da engenharia, com a ausência de controlador para as variáveis de processo. Dessa forma, manifestou-se o interesse em analisar a malha de nível da planta, controlada por uma válvula proporcional, e projetar um controlador proporcional integral utilizando o software MATLAB Online. Assim, para o desenvolvimento do trabalho discretizou-se o modelo da planta em malha fechada e, em seguida, aplicando o método do lugar geométrico das raízes e realizando uma análise gráfica, foi definido um controlador proporcional integral para obter uma resposta da planta em malha fechada controlada. Depois disso, foram encontradas as equações de diferença, as quais representam a planta em malha fechada sem e com o controlador, e implementadas no Unity, usando a linguagem de programação C#, com o intuito de visualizar as resposta da planta em um gráfico atualizado em tempo real, conforme o processo simulado. Para validação dos resultados, foi aplicado no sistema uma entrada em degrau unitário e obteve-se na saída o nível do tanque da planta, analisando o erro em regime permanente e as características do tempo de subida dos gráficos. Esses resultados demostram que o método aplicado foi satisfatório e validam o uso de simulação em ambiente virtual como uma ferramenta educacional para disciplinas relacionadas aos sistemas de controle.

ABSTRACT: Didactic industrial plants for instrumentation and control are tools for engineering students to familiarize themselves with the concept of automatic control. This teaching-learning mode can become more dynamic with the aid of Virtual Reality technology, developing simulations in virtual environments. In the industry, this technology can be used for employee training without affecting production and ensuring safety. This undergraduate thesis was inspired by the preliminary results of a scientific initiation project at the Federal Institute of Espírito Santo in Linhares, where a didactic industrial plant was created in Unity for training engineering students, without a controller for the process variables. Therefore, there was an interest in analyzing the plant’s level control loop, controlled by a proportional valve, and designing a proportional-integral controller using MATLAB Online software. Thus, for the development of the work, the closed-loop plant model was discretized and then, applying the root locus method and performing a graphical analysis, a proportional-integral controller was defined to obtain a controlled closed-loop plant response. After that, the difference equations, which represent the closed-loop plant with and without the controller, were found and implemented in Unity using the C# programming language, aiming to visualize the plant’s response in a real-time updated graph as the process was simulated. For validation of the results, a unit step input was applied to the system, and the tank level of the plant was obtained at the output, analyzing the steady-state error and the characteristics of the rise time of the graphs. These results demonstrate that the applied method was satisfactory and validate the use of simulation in a virtual environment as an educational tool for subjects related to control systems.