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TCC: Desenvolvimento de um Protótipo de Controle de Tanques Acoplados para Ensino de Engenharia.

Foto do escritor: Victor Manoel AraújoVictor Manoel Araújo

Discente: Jéssica Ferreira Pimentel

Orientadora: Prof. Dr. Daniel Costa Ramos

Título: Desenvolvimento de um protótipo de controle de tanques acoplados para ensino de engenharia.


 

Neste Projeto Final de Curso feito pela Jéssica Ferreira Pimentel foi desenvolvido um sistema didático de controle de nível de água de baixo custo, utilizando o PID para o controle digital do protótipo que contribuirá para o aprendizado prático e capacitação profissional em sala de aula.


Introdução


A indústria busca automatizar processos para aumentar a eficiência, produção e segurança dos trabalhadores, promovendo a inovação tecnológica que, ao mudar o modelo de produção, caracteriza uma revolução industrial. A Indústria 4.0 tem origem neste conceito e traz com ela fábricas mais inteligentes e uma demanda por profissionais qualificados em áreas como automação, eletrônica, comunicação e robótica.

Dentre os processos existentes que podem ser controlados dentro da indústria, destaca-se a de controle de nível, que faz uso de técnicas avançadas para manipular o nível dos fluidos dentro de reservatórios para garantir o controle de estoque e até mesmo a identificação de níveis seguros de armazenamento. 

Com isso o tema deste trabalho é definido, sendo ele o projeto, desenvolvimento e a construção de um protótipo didático de controle de nível de água em tanques acoplados, visando a demonstração prática do controle de nível de água por controladores digitais, em especial, o PID.


Materiais e métodos


Para o desenvolvimento do protótipo didático foram necessários alguns materiais, sendo eles:

Tabela 1 - Lista de materiais 

Nome

Quantidade

Placa Arduino Uno

1

Mini bomba de água

1

Módulo Sensor de

Distância HC-SR04

1

Driver Monster Moto

Shield VNH3SP30

1

Recipiente de plástico

1

Computador e MATLAB

1

 

Figura 1 – Alguns dos materiais previstos para a planta didática.


A unidade didática consiste em um sistema com dois tanques acoplados ligados por uma válvula e uma bomba. Pela válvula, a água escoa do tanque principal para o secundário e pela bomba ela será devolvida ao tanque principal. O microcontrolador irá atuar no sistema por meio dos comandos enviados pelo MATLAB. Optou-se por utilizar a placa Arduino para facilitar a implementação e, inclusive, a comunicação com o MATLAB, pois a placa é capaz de enviar e receber dados pela porta serial. Um sensor será utilizado para coletar e enviar as medições da altura do nível de água para o Arduino por meio de sinais eletrônicos.

Os dados recebidos do Arduino são usados para implementar o controlador do sistema. O MATLAB irá fornecer os valores de tensão que o Arduino deverá aplicar na bomba e simultaneamente verificar a variação de nível causada. Dessa forma, de acordo com o comportamento do sistema, o controlador PID será modelado e serão feitos estudos para buscar a melhor sintonia. 


Testes


Ao longo do desenvolvimento desse projeto, algumas adaptações e substituições foram feitas nos componentes para que eles pudessem funcionar em equilíbrio

Como foi definido o uso da placa Arduino e do ambiente MATLAB para processar os dados obtidos pelo sensor, implementar equações de controle e construir gráficos para a visualização dos resultados, buscou-se por componentes fáceis de instalar e utilizar com o Arduino.


Visão geral

Figura 2 – Diagrama do sistema idealizado


A Figura 2 ilustra a estrutura do sistema desenvolvido neste projeto. Pela válvula, a água escorre do tanque 1 para o tanque 2 e depois é bombeada de volta para o tanque 1. O sensor ultrassônico conectado ao Arduino mede o tempo que a onda ultrassônica leva para viajar em direção a lâmina de água e voltar para o sensor. Esse tempo é enviado da placa Arduino para o software MATLAB instalado no computador, e com esse dado o MATLAB calcula a distância entre o sensor e a lâmina de água. 

Pela programação, o MATLAB calcula a altura da coluna de água do tanque 1, que corresponde a diferença entre a distância entre o sensor e a lâmina e a distância entre o sensor e o fundo do tanque. Com o PID implementado no MATLAB, o programador escolhe a variável de entrada, que é a altura desejada para o nível de água do tanque 1. O objetivo do controlador é fazer o nível de água do tanque 1 (variável de saída) se igualar ao valor da altura desejada (referência). Com valor do erro entre a variável de entrada e a variável de saída, o controlador calcula o valor de tensão PWM que deve ser aplicado na bomba, ou seja, o MATLAB fornecerá o valor de tensão que o Arduino deverá aplicar na bomba para que ela aumente ou diminua a vazão de água que vai para o tanque 1. Com o MATLAB também será possível visualizar o comportamento do sistema por meio de análises gráficas. 

Na estrutura final, foi adaptado um suporte para manter o sensor fixo em cima do Tanque 1 e um recipiente de plástico para o ser o Tanque 2, com um apoio para o Tanque 1. Depois da ligação e conexão dos componentes, segue a apresentação do protótipo na Figura 3.

Figura 3 - Montagem final do protótipo. 


Conclusão


Este trabalho apresentou o comportamento de um controlador PID em um sistema de controle de nível de água. Após estudos teóricos e escolha de materiais de baixo custo, o sistema foi desenvolvido com testes e ajustes, sendo o controlador implementado no MATLAB para análise gráfica. O sistema demonstrou um controle de nível real e eficiente, proporcionando aprendizado prático para estudantes da Universidade Federal de Uberlândia. Além de ser uma alternativa econômica para ensino, futuras melhorias incluem testar novos métodos de sintonia PID, atualizar a bomba de água e utilizar sensores mais precisos para otimizar o desempenho.


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