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Título: Desenvolvimento de módulo didático para ensino de controle PID baseado no problema barra-bola
Título(s) alternativo(s): Development of a didactic module for teaching PID control based on the ball-and-beam problem
Autor(es): Abati, Marlon
Orientador(es): Bertoldo, Guilherme
Palavras-chave: Controladores PID
Ensino - Meios auxiliares
Material didático
Controle de processo
PID controllers
Teaching |x Aids and devices
Process control
Data do documento: 13-Fev-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Francisco Beltrao
Citação: ABATI, Marlon. Desenvolvimento de módulo didático para ensino de controle PID baseado no problema barra-bola. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Francisco Beltrão, 2025.
Resumo: O presente trabalho trata do desenvolvimento, sintonização e validação de módulo didático baseado no problema barra-bola para auxílio do aprendizado da teoria de controle PID em aulas práticas de controle de processos. O funcionamento do equipamento consiste em duas barras de alumínio onde os carrinhos são movimentados. A posição de um dos carrinhos representa o setpoint e é definida pelo usuário. A posição do segundo carrinho é ajustada pelo dispositivo alterando a inclinação da barra usando um servomotor com o objetivo de atingir o setpoint definido. Sensores ultrassônicos são utilizados para medir a distância dos carrinhos até o sensor. Para corrigir a posição definida, o sistema utiliza de um controlador PID, onde os parâmetros de controle utilizados podem ser alterados pelo usuário no modo manual, e no modo automático esses parâmetros já estão pré-definidos, resultados da sintonização do equipamento. Dois métodos de sintonização foram aplicados, o método de Ziegler-Nichols e o método de Astrom e Hagglund. A aplicação dos métodos resultou em diferentes parâmetros. Métricas de validação foram aplicadas a fim de descobrir o conjunto de parâmetros de melhor eficiência no controle. A métrica da integral do erro absoluto foi utilizada nos conjuntos de parâmetros provenientes das sintonizações e o menor valor encontrado foi para o método de Astrom e Hagglund, o que significa que tem uma melhor capacidade de controlar o sistema. O protótipo demonstrou ser capaz de realizar o controle de forma rápida e visual. Estas características aliadas à possibilidade de alteração dos parâmetros de controle durante a utilização do módulo são fundamentais para o propósito didático deste módulo.
Abstract: This work addresses the development, tuning, and validation of a didactic module based on the ball-and-beam problem, designed to assist in the learning of PID control theory in practical process control classes. The system consists of two aluminum bars, where carts move along the rails. The position of one of the carts represents the setpoint, which is defined by the user. The position of the second cart is adjusted by the device, which changes the inclination of the bar using a servo motor to reach the defined setpoint. Ultrasonic sensors are employed to measure the position of the carts based on the distance from the carts to the sensor. To correct the defined position, the system uses a PID controller, where the control parameters can be adjusted by the user in manual mode, while in automatic mode, the parameters are predefined, resulting from the system's tuning. Two tuning methods were applied: the Ziegler-Nichols method and the Astrom and Hagglund method. The application of the methods resulted in different parameter sets, and validation metrics were used to identify the most efficient parameter set for control. The Integral of Absolute Error (IAE) metric was applied to the parameter sets from the tuning procedures, and the lowest value found was for the Astrom and Hagglund method, indicating that it provides better control performance. The prototype demonstrated the ability to perform control quickly and visually. These characteristics, combined with the possibility of changing the control parameters during the use of the module, are fundamental for the educational purpose of this module.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/36862
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