Estudo de modelagem e simulação da planta didática MTX-Lab

Abstract

A reprodução de uma planta industrial dentro da universidade não é uma tarefa trivial pois envolve questões relacionadas a custo, manutenção, segurança, infraestrutura, entre outros. Assim, experimentos em pequena escala são uma solução interessante para oferecer um ensino pragmático e didático por meio da construção de protótipos que simulam ambientes industriais. Nesse contexto, a planta didática MTX-Lab tem como objetivo demonstrar o funcionamento de malhas de controle de umidade e temperatura de forma didática, sendo dessa forma uma alternativa às unidades didáticas geralmente empregadas envolvendo apenas temperatura e nível. Para permitir um melhor entendimento do sistema, além de facilitar testes de soluções propostas, este trabalho visa desenvolver um modelo dinâmico fenomenológico capaz de descrever o comportamento do sistema. A planta foi desenvolvida para que vapor fornecido de um tanque adentre em uma câmara consistindo em um tubo de PVC e duas partes de garrafas recicladas. Existem dois coolers para transporte de ar úmido na câmara, além de uma resistência para aquecimento da água e duas lâmpadas para aquecimento na câmara. A planta foi estruturada com equipamentos e sensores que funcionam com uma placa Arduino. Como forma estudar a riqueza dinâmica da planta, foi trabalhada a elaboração do modelo fenomenológico e, para isso, foram realizados testes em malha aberta no sistema. O modelo foi desenvolvido e implementado na linguagem MODELICA® e compilado usando os ambientes de software livre OpenModelica e JModelica. Os arquivos FMU gerados foram simulados em Python, onde foram realizadas as simulações e a estimação de parâmetros pela abordagem single-shooting. Foi desenvolvido um modelo baseado em um sistema de equações algébrico-diferenciais, tendo no total 50 equações, com 15 parâmetros ajustáveis. Os parâmetros foram determinados utilizando o método dos mínimos quadrados e os dados reais de simulação em malha aberta na planta, possibilitando a determinação de todos os parâmetros e um bom ajuste de modelo. O ajuste foi validado através do uso de dados de ensaios em malha fechada no sistema, onde o modelo mostrou boa capacidade de aderir aos valores reais, mostrando pouca diferença entre os valores e a mesma tendência de variação. Sendo assim, o modelo obtido se mostrou adequado para representar a dinâmica do sistema, possibilitando que seja utilizado em sala aula para permitir o entendimento e desenvolvimento de diversas estratégias de controle.

The reproduction of an industrial plant within the university is not a trivial task as it involves issues related to cost, maintenance, infrastructure, safety, among others. Thus, small-scale experiments are an interesting solution to offer pragmatic and didactic teaching through the construction of prototypes that simulate industrial environments. In this context, the MTX-Lab didactic plant aims to demonstrate the operation of humidity and temperature control loops in a didactic way, thus being an alternative to the didactic units usually used involving only temperature and level. To allow a better understanding of the system, in addition to facilitating testing of proposed solutions, this work aims to develop a phenomenological dynamic model capable of describing the behavior of the system. The plant was designed so that steam supplied from a tank enters a chamber consisting of a PVC tube and two pieces of recycled bottles. There are two coolers for transporting humid air in the chamber, in addition to a resistance for heating the water and two lamps for heating the chamber. The plant was structured with equipment and sensors that work with an Arduino board. As a way to study the dynamic richness of the plant, a phenomenological model was developed and, for that, tests were carried out in open loop in the system. The model was developed and implemented in MODELICA® language and compiled using OpenModelica and JModelica open source environments. The generated FMU files were simulated in Python, where simulations and parameter estimation were performed using the single-shooting approach. A model was developed based on a system of algebraic-differential equations, with a total of 50 equations, with 15 adjustable parameters. The parameters were determined using the least squares method and the real open-loop simulation data in the plant, allowing the determination of all parameters and a good model fit. The fit was validated through the use of data from closed loop tests in the system, where the model showed good ability to adhere to the real values, showing little difference between the values and the same variation tendency. Thus, the model obtained proved to be adequate to represent the dynamics of the system, allowing it to be used in the classroom to allow the understanding and development of various control strategies.