Análise comparativa entre controle clássico e controle fuzzy aplicados a um sistema térmico

Abstract

RESUMO: O frio e, por consequência, os esforços para controle da temperatura sempre foram um desafio para a humanidade. Desde os primórdios dos tempos, uma fonte de calor que fosse capaz de manter a temperatura do entorno ao ser humano em um valor agradável é um recurso grande estima. E, com o passar das eras, houve diversos trabalhos para a implementação de técnicas que fossem capazes de controlar os equipamentos utilizados da forma mais eficiente possível. Dessa forma, a humanidade desenvolveu três tipos de técnicas de automação que são utilizadas, atualmente, em variadas aplicações, são elas: o controle em PID Clássico, com suas origens datadas por volta da década de 1920 e com forte embasamento numérico necessário ao seu desenvolvimento (como o indispensável uso de um modelo matemático que descreva o sistema atuado), o controle Fuzzy, ou nebuloso, com o método de inferência Mamdani, desenvolvido por volta de 1950, e o controle Fuzzy com o método de inferência de Takagi-Sugeno, os quais utilizam fortemente de variáveis linguísticas (o que aproxima o controle do pensamento humano) e do conhecimento do operador especialista. Estas três técnicas são aqui aplicadas neste trabalho e possuem seus resultados comparados para três situações diferentes: uma variação pequena de 10 ºC na temperatura, uma variação mediana de 30 ºC e uma variação mais intensa de 50 ºC para uma planta de 30 cm x 30 cm x 30 cm com paredes de aço baixo-carbono de espessura da ordem de 10\textsuperscript{-3} m. Os resultados mostraram uma eficácia razoável para os controladores Fuzzy com o método de inferência Mamdani com notória vantagem para os outros métodos, apesar do seu longo tempo de simulação.

ABSTRACT: The cold and, consequently, the efforts to control the temperature have always been a challenge for humanity. Since the beginning of the time, a heat source that was able to keep the temperature of the environment around humans at a pleasant value is a great resource. Over time, there were several works for the implementation of techniques that were able to control the hardware used in the most efficient way as possible. Thus, humanity has developed three types of automation techniques that are currently used in various applications, they are: the control in Classic PID, with its origins dated around the 1920s and with a strong numerical basis necessary for its development (such as the indispensable use of a mathematical model that describes the actuated system), the Fuzzy control, or nebulous, with the Mamdani inference method, developed around 1950, and the Fuzzy control with the Takagi-Sugeno inference method, which make heavy use of linguistic variables (which brings the closest type of human thinking) and the knowledge of the specialist operator. These three techniques are applied here in this assignment and have their results compared to three different situations: a small variation of 10 ºC in temperature, a median variation of 30 ºC and a more intense variation of 50 ºC for a plant of 30 cm x 30 cm x 30 cm with low-carbon steel walls of the order of 10\textsuperscript{-3} m. The results showed a reasonable efficiency for the Fuzzy controllers with the Mamdani inference method with a notable advantage for the other methods, despite their long simulation time.