Controle de propulsão e levitação de um MAGLEV eletrodinâmico. - Campo, Alexandre Brincalepe (2001)
Os estudos realizados com o sistema de levitação e propulsão eletrodinâmica construído no Laboratório de Automação e Controle (LAC) da USP são apresentados neste trabalho. Inicialmente é feita uma apresentação dos sistemas de propulsão e levitação desenvolvidos em diversos centros de pesquisa do mundo, procurando caracterizá-los e identificar os aspectos que os diferenciam. Os sistemas de levitação e propulsão eletrodinâmica apresentam maior semelhança com o protótipo desenvolvido neste trabalho, por isso a descrição dessa tecnologia é feita com mais detalhes. Os sistemas de transporte que utilizam suspensão eletromagnética estão em início de implantação de linhas operacionais em diversos lugares do mundo e esta fase é representada particularmente pelo processo que ocorre hoje nos EUA e China. O projeto idealizado e construído necessita de diversos circuitos para gerar e medir as variáveis de controle. Os circuitos de geração de correntes e o processo de atualização dos sinais nas bobinas fixas para gerar as forças de propulsão e levitação são descritos. São apresentados os circuitos dos sensores e os algoritmos implementados para garantir que as variáveis medidas fiquem dentro da faixa de tolerância desejada. As relações entre as correntes nas bobinas fixas e as forças de levitação e propulsão que atuam no sistema são obtidas utilizando duas abordagens diferentes: através do cálculo das derivadas das indutâncias mútuas entre as bobinas fixas e a bobina móvel, e, comresultados equivalentes, através do cálculo dos vetores de densidade de fluxo sobre as bobinas fixas com a equação de Biot-Savart, relacionando esta grandeza com as forças que atuam sobre a bobina móvel através da equação de Lorentz. ) A partir da apresentação dos resultados acima, são desenvolvidos três métodos para a caracterização da forma da função que as correntes aplicadas nas bobinas fixas deve ter para a obtenção das forças de levitação e propulsão determinadas pelo controlador do sistema. A primeira abordagem baseia-se numa solução de um problema de minimização de uma função custo de modo a relacionar uma série de propriedades que a corrente numa bobina fixa deve ter - procurando minimizar suas taxas de variação e a potência na saída - com as componentes da força resultante na bobina móvel. Na segunda abordagem a forma da função é obtida através da solução das equações que relacionam as correntes em cada conjunto de bobinas fixas com as forças de propulsão e levitação na bobina móvel utilizando diversas matrizes pseudo-inversas para um conjunto de pontos sobre uma bobina fixa. Tendo em vista os resultados obtidos através da aplicação dos dois métodos descritos, um terceiro método foi desenvolvido: a partir dos resultados gerados nos dois primeiros, foram construídas funções aproximadas de correntes para obter levitação e propulsão separadamente. O modelo não-linear que descreve a dinâmica do sistema mecânico é apresentado, assim como as linearizaçõesefetuadas para projetar o controle. São feitas análises sobre o comportamento do sistema e considerações de projeto relevantes para a implementação dos controladores. Ao longo de todo o trabalho são apresentados diversos resultados experimentais obtidos e ao final do texto são apresentados os resultados do sistema de controle de propulsão e levitação utilizando um controlador desacoplado e um controlador multivariável. Os resultados são analisados procurando ressaltar as limitações dos sistemas implementados até o momento e discutindo futuros aperfeiçoamentos possíveis.