Aplicação do algoritmo de Gain Schedule baseado na estimativa de massa no controle do sistema de freios do sistema aeromóvel

Abstract

O Aeromóvel é um sistema não-convencional de transportes urbanos, baseado na aplicação de forças devido às diferenças de pressão entre duas câmaras, de forma similar à que ocorre em pistões pneumáticos e hidráulicos. A linha sobre a qual o veículo se move é composta de vigas vazadas, as quais são divididas em câmaras por meio de anteparos ligados ao veículo. A diferença de pressão responsável pela propulsão do mesmo é gerada por um ventilador, que pressuriza ou esvazia uma câmara conforme o sentido do movimento desejado. O veículo é dotado de um sistema de freios de atrito, utilizado para assegurar a parada do mesmo nas estações e de forma a garantir a segurança do veículo e de seus passageiros em caso de falhas no sistema propulsor. Devido à necessidade de se assegurar um acesso conveniente dos passageiros ao veículo, é necessário que a parada do mesmo nas estações seja feita com pequenos erros de posicionamento. Por essa razão, os freios devem ser possuir um sistema próprio de controle automatizado, garantindo assim que a parada ocorra com erros de amplitude satisfatória. Este trabalho aborda o desenvolvimento de um novo algoritmo de controle automático de parada do veículo do sistema Aeromóvel de transportes, visando a aprimorar o sistema de controle já existente. Inicialmente, descrevem-se as características gerais desse sistema de transporte, incluindo-se seus princípios de funcionamento e seus modos de operação, bem como modelo simplificado do comportamento dinâmico do elemento transportador durante sua operação. Também é apresentada a linha piloto do sistema, instalada em Porto Alegre - RS, com seus principais componentes físicos e dimensões. Atenção especial é dada à descrição do veículo de testes e aos elementos que o compõem. A técnica de controle atualmente utilizada pelo sistema de freios é discutida, e suas limitações são avaliadas. Com base no estudo das características do sistema Aeromóvel como um todo e de seu aparato de frenagem em particular, desenvolve-se o projeto do algoritmo de controle proposto. O controlador em questão é baseado na técnica de controle PID, com ganhos selecionados por meio da abordagem de tabelamento de ganhos (gain scheduling). O critério de seleção dos conjuntos de ganhos utilizados é baseado num algoritmo de estimativa da massa transportada pelo veículo em cada ciclo de operação. Os aspectos relacionados à implementação do novo controlador também são discutidos, incluindo-se os circuitos de instrumentação e o hardware de processamento necessário ao cálculo online do algoritmo proposto. Finalmente, as características do controlador são avaliadas experimentalmente, incluindo-se a validação do método utilizado para estimar a massa transportada pelo veículo.

Aeromóvel is a non-conventional urban transport system, based on the application of forces due to the difference of pressure between two chambers in a way that is similar to that of hydraulic and pneumatic pistons. The line along which the vehicle moves is composed of hollow beams, divided in chambers by means of rigid barriers attached to the vehicle. The pressure difference that propels the vehicle is generated by means of a fan that pressurizes or exhausts one of the chambers according to the direction of the desired movement. The vehicle is equipped with a friction-based braking system that is used so that the stopping at the stations is ensured and the safety of the passengers is safeguarded in case of failure of the propelling system. Due to the need of granting an adequate access of the passengers to the vehicle, it is necessary that its stopping at the stations be carried out with small positioning errors. For this reason, the braking system must possess an automatic control system of its own, capable of guaranteeing that station stopping occurs with errors of acceptable amplitude. This work describes the development of a new control algorithm to be applied to the automatic braking scheme of the Aeromóvel transport system, in order to enhance its performance. Initially, the general characteristics of the transport system as a whole are described, including its operation principles and a simplified mathematical model of the dynamic behavior of its transporting element during normal operation. It is also presented the experimental line of the system that is installed in Porto Alegre - RS, with its main physical components and dimensions. Special attention is given to the test vehicle and its components. The control technique that is currently employed with the braking system is discussed, and its limitations are taken into account. Based on the study of the Aeromovel system as a whole and of its braking system in particular, the proposed control algorithm is developed. Such controller is based on the PID control technique, with gains selected by means of the gain scheduling approach. The selection criterion of the gain sets is obtained from an algorithm for estimating the mass that is transported by the vehicle during each operation cycle. The features related to the practical implementation of the proposed controller are also discussed, including the measurement circuits and the processing hardware that is needed for the online calculation of the proposed algorithm. Finally, the characteristics of the proposed controller are investigated experimentally, and the validation of the algorithm employed to estimate the mass that is transported by the vehicle is discussed.