Sistema Pêndulo + Hélice: Control de Posição: 5 pasos

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2025-01-13 06:57

Este experimento foi desenvolvido como trabalho prático da disciplina "Eletrônica Industrial" no primeiro semestre de 2018, pelos alunos Eduardo Coelho e Rodrigo Sousa, do curso de engenharia Aeroespacial na Universidade Federal de Minas Gerais.

O "Sistema pêndulo + hélice: control de posição" buscou uma abordagem prática de técnicas de control para posicionar um pêndulo a partir de uma posição de referência setada. Esse controle de posição foi feito utilizando controles dos seguintes tipos: liga / desliga, proporcional (kp), e proporcional-integral-derivativo (kp, kd, ki). Finalmente, se observó una influencia de los diversos tipos de control, y una dificultad en la sintonía de controladores.

Paso 1: Seleção De Componentes E Materiais

Para construção do projeto, foram utilizado:

Eletrônica

2 Potenciómetros (R $ 1, 90)

1 Transistor Mosfet IRF1404 (R $ 8, 00)

1 Arduino uno (R $ 34,90)

1 Batería Lipo (3,7 V) (R $ 15,00)

Cabos conectores (R $ 5, 00)

1 Resistencia de 100 mili ohmios (R $ 0, 20)

1 motor DC 3.7V 48000RPM (R $ 4, 00)

Materiais

Madeira balsa (para una prisa)

MDF (para o suporte do pêndulo)

Fita isolante

Reajuste salarial

Equipamentos

Serra

Furadeira

Custo total: R $ 70,00 (aproximado)

Paso 2: Montagem Do Sistema

A montagem do system é muito simple, mas uma atenção especial foi demandada para um componente muito sensível: o transistor MOSFET. Seu manuseio deve ser cuidadoso, uma vez que a estática do próprio corpo é capaz de o danificar, se um de seus terminais entra em contato com o corpo humano.

Lembrete: O potenciômetro de referência, no desenho, na verdade se encuentra na haste do pêndulo, e varia com a descida e subida do mesmo.

** Dificuldades construtivas / Dicas:

Una base de experimento, foi fabricado em MDF com corte a laser, e una escala de graus também foi gravada com laser.

O motor, acoplado na ponta do pêndulo, foi 'emendado' com fita crepe e pedaços de madeira para que a hélice, ao girar, não encostasse na madeira e pudesse gerar empuxo corretamente.

A haste deve ser longa o suficiente para que o empuxo do motor seja o suficiente para elevá-la. (braço de alavanca).

É muito importante que o terra da bateria seja o mesmo terra do Arduino. Sem isso o sistema não liga.

Paso 3: 1. Sistema De Controle De Posição Liga / Desliga

Na primeira estratégia de controle utilizada, inspirados por experimentos semelhantes, foi implementado um controle que, a partir da referência (do potenciômetro de referência) e da medição da posição do pêndulo, ligava o motor caso ele estivesse abaixo da referência e desligava-o sua posição ultrapassasse a mesma. Por ejemplo:

Foi setada uma posição na referência de 45º;

O pêndulo se encuentra se encontrará a 0º;

O sistema liga o motor e o braço sobe;

A nova medição da posição do braço indica 50º;

O sistema desliga o motor e o braço desce;

Mede-se novamente e o braço desceu para 35º;

O sistema liga o motor e o braço sobe.

E asimilar una posición del pêndulo é controlada por um "liga / desliga", deixando o sistema oscilante como pode ser visto no gráfico. No vídeo, é possível observar o funcionamento oscilante.

O codigo comentado esta disponible para descargar.

Paso 4: 2. Controle proporcional

No sistema de controle proporcional, a ação de controle (tração do motor controlado por PWM) é proporcional ao valor do erro: o ângulo medido pelo potenciômetro de medição é comparado com o ângulo desejado e este erro é multiplicado por uma constante para obter qual será un motor de potencia fornecida ao. Por isso, conforme o braço se aproxima da posição desejada, a tração do motor é diminuida. Isso proporciona uma subida um pouco mais suave do que no sistema liga e desliga, porém também acarreta um erro em régime permanente (o braço se estabiliza em uma posição um pouco abaixo da desejada)

No código, por simplicidade, o erro é medido em graus e ação de controle é um número de 0 a 255, porém não há problema pois pois-se mudar a constante para corrigir este erro.

O codigo esta disponivel para descargar.

Paso 5: 3. Control Proporcional-Integral Derivativo

Sin sistema PID, ação de controle leva em consideração 3 características del error:

1- (Parcela Proporcional) O valor do erro assim como no controle proporcional.

2- (Parcela Integral) A soma dos valores de erro ao longo do tempo. Quanto maior o tempo em que há um valor de erro, maior a contribuição dessa parcela para ação de controle.

3- (Parcela Derivativa) A variação instantânea do erro. Quanto mais o erro varia no tempo, maior é a contribuição dessa parcela.

Com as constantes certas, o controle PID proporciona uma subida suave até o ângulo desejado e, devido a parcela integral, corrige qualquer erro em regimen permanente.

O código está disponible para descargar.