Laboratório virtual de sistemas de controlo

Abstract

Esta dissertação tem como principal objectivo a criação de um laboratório virtual de sistemas de controlo no ambiente computacional Matlab utilizando a ferramenta SimMechanics do Simulink. Foram criados três modelos virtuais de objectos mecânicos de controlo e a sua respectiva animação on-line em SimMechanics: i) Modelo virtual de um automóvel; ii) Modelo virtual de um pêndulo invertido e iii) Modelo virtual do sistema de suspensão de um autocarro. Para testar o funcionamento do laboratório virtual e os respectivos modelos físicos foram desenvolvidos vários esquemas de controlo implementando diferentes algoritmos de controlo clássico. •O controlo da velocidade de um automóvel foi realizado com três controladores - PID, Atraso e Avanço.

•O controlo da posição do pêndulo invertido foi testado com dois controlador - PID e controlo por realimentação das variáveis do estado.

•O controlo da suspensão de um autocarro foi realizado com um controlador PID e um controlador por cancelamento de pólo zero. Os controladores clássicos foram desenhados através das técnicas de controlo de sistemas lineares. Para tal, primeiro foram determinados os modelos lineares dos três casos mecânicos e depois os parâmetros dos controladores foram ajustados baseado nestes modelos lineares. Para cada objecto foram testados duas malhas fechadas de controlo: com o modelo linear e com o modelo virtual. Os resultados experimentais verificaram que os modelos virtuais desenvolvidos representam bem a dinâmica dos três objectos físicos e que o laboratório pode ser usado, nos próximos anos, pelos alunos das cadeiras de Sistemas e Controlo I e II.

ABSTRACT: This Master Thesis has as main purpose the creation of a virtual laboratory of control systems in the Matlab computacional environment using the SimMechanics toolbox of Simulink. Three virtual models of controlling mechanical objects and their respective on-line animation in SimMechanics were created: i) Virtual Model of an automobile; ii) Virtual Model of an Inverted pendulum and iii) Virtual Model of the system of a bus suspension. To test the virtual laboratory and his respective physical models several control schematics have been developed which implemented different classical control algorithms. • The control of the velocity of an automobile was tested with three controllers: PID, advanced phase and delaying phase controller. • The control of the position of the inverted pendulum was tested with two controllers: PID and feedback of state space variables. • The bus suspension controller was achieved with a PID controller and a root locus design. The classic controllers were designed through control techniques of linear systems. First of all the linear models for the three cases of study were determined and then the parameters of the controllers were adjusted based on these linear models. For each object were tested two close loop control designs: with the linear model and with the virtual model. The experimental results have checked that the developed virtual models represent the dynamics of the three objects and that the laboratory might as well be used for the next upcoming years by the Control Systems I and II students.