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Universidade Federal de Minas Gerais
Laborat´orio de Controle e Automa¸c˜ao I
Prof. Patr´ıcia N. Pena - DELT
Twin Rotor MIMO System (TRMS)
1 Rotor Duplo (TRMS - Twin Rotor MIMO System)
A unidade TRMS da Feedback [2] ´e um modelo simplificado de um helic´optero. As duas principais simplifica¸c˜oes s˜ao: o TRMS est´a fixado em um torre; a posi¸c˜ao e velocidade do helic´optero s˜ao controladas por meio da varia¸c˜ao da velocidade do rotor. No helic´optero real, a velocidade do rotor ´e aproximadamente constante e a propuls˜ao ´e variada pela modifica¸c˜ao dos ˆangulos das lˆaminas do rotor. Mesmo com as simplifica¸c˜oes, as caracter´ısticas dinˆamicas mais importantes de um helic´optero est˜ao presentes no TRMS. Este ´e um modelo MIMO, com duas entradas (tens˜ao aplicada aos rotores) e duas sa´ıdas (ˆangulos horizontal e vertical e velocidades angulares).
2 Descri¸c˜ao da Unidade TRMS
A Unidade de Rotor Duplo consiste de, al´em de uma base e uma torre, um rotor principal (controle da posi¸c˜ao vertical), um rotor de cauda (controle da posi¸c˜ao horizontal) e um contra-peso.
Figura 1: Unidade Mecˆanica do TRMS [2].
O sistema de controle ´e organizado de acordo com o diagrama esquem´atico da Figura 2. O computador com uma placa de aquisi¸c˜ao de dados Advantech e os ambientes Matlab e Simulink s˜ao as unidades de controle principais. Os sinais de controle, com amplitude entre -2,5V e 2,5V s˜ao transferidos para a unidade de forma a funcionar os rotores.
Figura 2: Sistema de Controle [2].
A posi¸c˜ao da haste ´e medida usando encoders digitais. A informa¸c˜ao de posi¸c˜ao ´e transferida para o PC por meio da unidade de interface, onde todas os algoritmos de controle est˜ao implementados no ambiente Simulink. Do ponto de vista do Simulink, o TRMS ´e visto como o modelo apresentado na Figura 3.
Figura 3: Modelo do Sistema [2].
2.1 Controle por Computador
O uso do MathWorks e do software da placa Advantech juntos permite fazer o projeto de sistemas de controle de forma simplificada. N˜ao ´e necess´ario construir uma aplica¸c˜ao de tempo real a partir do in´ıcio. Esta parte j´a est´a implementada. Pode-se projetar uma controlador no ambiente Simulink e usar o kernel de tempo real para execut´a-lo. O diagrama de controle digital ´e apresentado na Figura 4. O sistema possui quatro elementos principais:
- PC com um algoritmo de controle temporizado;
- conversores A/D e D/A - fazendo a interface entre o PC e o ambiente externo;
- processo;
- sensores. O algoritmo de controle e os conversores operam de acordo com os pulsos do rel´ogio que definem o tempo de amostragem. O rel´ogio gera uma interrup¸c˜ao e a ISR (interrupt service routine) ´e chamada. Durante a rotina ISR, o conversor A/D entrega uma representa¸c˜ao discreta da medida enviada pelo sensor. Baseado na medida, o algoritmo de controle calcula o valor do sinal de controle. Ao final da ISR, o valor do sinal de controle ´e atualizado e enviado ao coversor D/A para ser aplicado no pr´oximo instante de amostragem. Este esquema de controle ´e utilizado no TRMS mas nenhum sinal anal´ogico ´e medido; somente medidas discretas dos encoders s˜ao retornadas.
necess´ario, sem nunca modificar os parˆametros de simula¸c˜ao.
Os experimentos de simula¸c˜ao (abertos ao clicar a caixa: TRMS Simulation Models da Figura
- podem ser usados como simula¸c˜oes de simulink normalmente. Por outro lado, os experimentos de tempo-real usam uma fonte externa (equipamento externo). Na Figura 6 apresenta-se uma aplica¸c˜ao de controle de arfagem (pitch) usando um PID.
Figura 6: Controle de Posi¸c˜ao [2].
Sempre que modificar uma aplica¸c˜ao existente, salve com outro nome. Sempre que for abrir o ar- quivo .mdl salvo com outro nome, fa¸ca-o a partir da janela apresentada na Figura 5, por meio do menu File → Open →... Para come¸car um novo projeto, a melhor forma de se fazer ´e utilizar uma aplica¸c˜ao j´a existente e remover o que estiver entre os dois principais blocos, o Feedback Encoder (sa´ıda do sistema) e o Feedback DAC (entrada do sistema), Figura 7. O Feedback encoder tˆem duas sa´ıdas, que s˜ao a posi¸c˜ao em radianos nos dois planos perpendiculares. O Feedback DAC possui uma entrada, onde ser´a aplicado o sinal de controle. Estes dois blocos n˜ao devem ser modificados.
Figura 7: Blocos do Sistema [2].
Antes de executar a aplica¸c˜ao:
- observe que o TRMS est´a em repouso, na posi¸c˜ao inicial (encoder relativo);
- observe que a ´area em torno do TRMS est´a livre.
Para executar o controle em tempo real, a seguinte sequˆencia deve ser respeitada.
- Clique no botao incremental build (segundo bot˜ao `a direita da caixa External, da Figura 6.
- Conecte a aplica¸c˜ao com o cart˜ao PCI1711 clicando o bot˜ao: connect to target da Figura 6 (bot˜ao `a esquerda do campo onde est´a o n´umero 100);
- Ligue a unidade de TRMS (bot˜ao atr´as da unidade externa) e aperte o bot˜ao verde START;
- Posicione a haste manualmente e segure-a at´e o in´ıcio da aplica¸c˜ao;
- Inicie a aplica¸c˜ao clicando no bot˜ao: start real time code (◃ do lado esquerdo do bot˜ao connect to target).
4 Objetivos da Pr´atica
O objetivo desta pr´atica ´e estudar o sistema TRMS, fazendo controle de arfagem (pitch). Para tanto, deve-se escolher uma regi˜ao de opera¸c˜ao (trabalhar preferencialmente em torno da posi¸c˜ao em que o rotor se apresenta paralelo ao ch˜ao); obter modelo matem´atico para o sistema; propor estrat´egias de controle; testar o sistema de controle para v´arias entradas (degrau, rampa, sen´oide e etc). O relat´orio dever´a cobrir os seguintes t´opicos:
- contextualiza¸c˜ao do problema;
- procedimento para obten¸c˜ao do modelo;
- valida¸c˜ao do modelo;
- projeto e simula¸c˜ao do(s) controlador(es);
- teste do(s) controlador(es) na planta;
- utilizar como setpoint para o teste aquele do arquivo setTRMS.mdl, dispon´ıvel no Moodle;
- avalia¸c˜ao do desempenho do sistema controlado, utilizando algum ´ındice de desempenho [1].
Todos os passos e suas motiva¸c˜oes devem ser discutidos no relat´orio.
5 Informa¸c˜oes relevantes
O encoder do TRMS ´e relativo, ou seja considera como zero a posi¸c˜ao em que a haste se encontra quando o experimento ´e iniciado.
Referˆencias
[1] R. C. Dorf and R.H. Bishop. Modern Control Systems. Addison Wesley, 8th edition, 1998.
[2] Feedback Instruments Ltd. TWIN ROTOR MIMO SYSTEM, Installation & Commissioning. Manual: 33-949IC, Ed 1, 2006.
