Estudo de modelagem e simulação da planta didática MTX-Lab - Silveira, Lucas Aldrighi (2022)
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.