Comparação de desempenho de controladores PID e FP-PID em um sistema de suspensão eletromagnética : projeto e análise

Abstract

Um sistema de suspensão eletromagnética é a capacidade de manter um corpo suspenso no ar sem contato direto, utilizando forças elétricas e magnéticas. Apesar desse tipo de sistema possuir diversas aplicações como sistemas de amortecimento de carros e vibrações, trens de levitação magnética e dispositivos médicos, a suspensão eletromagnética envolve uma interação complexa entre componentes mecânicos, elétricos e de controle, o que torna desafiador o projeto de sistemas de controle que sejam eficientes e viáveis nesse tipo de aplicação. Assim, este trabalho apresenta o projeto, modelagem e implementação de técnicas de controle em um sistema de suspensão eletromagnética com um grau de liberdade (1-DOF, do inglês one degree of freedom), sendo um sistema single input single output (SISO), utilizando como ferramenta de simulação e controle o software MATLAB®/SIMULINK. O sistema de suspensão eletromagnética projetado consiste em uma viga com liberdade de rotação, estabilizada por um eletroímã localizado em uma das extremidades. O objetivo principal de controle é manter a viga em uma posição de equilíbrio desejada através da repulsão eletromagnética. Devido às não linearidades e incertezas presentes em sistemas eletromagnéticos, como a histerese no eletroímã, e efeitos da temperatura, neste trabalho é feita a comparação de desempenho entre um controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) convencional e um controlador PID com pré-compensador fuzzy (FP-PID, do inglês Fuzzy Pre-compensated Proportional-Integral-Derivative) que permite trabalhar com incertezas no sistema de controle. A implementação da bancada experimental é realizada utilizando a placa de desenvolvimento ESP32 e programação em C++ para o projeto do circuito de controle. A estrutura é impressa em 3D utilizando material termoplástico PLA, e o eletroímã é projetado e construído para atender às especificações do sistema. Por fim, os resultados experimentais e de simulação demonstram que o controlador FP-PID apresentou melhor desempenho na resposta dinâmica do sistema de suspensão eletromagnética, apresentando tempos de subida e estabilização mais rápidos, sendo Tr=2,947[s] e Ts=4,33[s] em simulação e Tr=4,74[s] e Ts=8,24[s] em bancada experimental. Além disso, overshoot e erro de regime foram nulos, e houve eliminação das oscilações da viga até sua estabilização no setpoint definido.