Sistema de Controle Fuzzy-Ótimo Aplicado ao Problema de Balanço Pendular da Carga em Pontes Rolantes

De Wenllson Carlos Leite

As pontes rolantes são equipamentos para o transporte de cargas que ao longo da história da humanidade vêm viabilizando as atividades fins dos setores produtivos das civilizações. Muitos setores das atividades humanas, tais como: portos, ferrovias e indústria automobilística, necessitam de pontes rolantes para o desenvolvimento de suas atividades. Operações com pontes rolantes são perigosas para o ser humano, como também uma operação inadequada pode danificar a carga. Entre os diversos problemas relacionados com as operações, o problema de balanço pendular da carga é um fenômeno que compromete a qualidade do serviço e segurança. Em face da problemática do controle de balanço pendular da carga, uma metodologia para o projeto de sistema de controle envolvendo a Lógica Fuzzy e Controle Ótimo para pontes rolantes é apresentada neste livro. A metodologia proposta para o projeto do sistema de controle Fuzzy-Ótimo envolve as propriedades de otimalidade e fuzzy. Para tanto, as abordagens de controle ótimo e lógica Fuzzy são combinadas para formar os controladores e inferir no comportamento das oscilações pendulares. Assim, este trabalho aborda o problema de regulação de deslocamento pendular da carga em pontes rolantes. Como proposta de solução, é apresentada a metodologia de controle e algoritmos baseados no método LQR e controlador Fuzzy que, atuando de forma conjunta, promovem melhorias na dinâmica do posicionamento da ponte e movimento pendular da carga.

• Idioma: Português
• Editora: Editora Dialética
• Data de lançamento: 26 de out. de 2022
• ISBN: 9786525234687

Pré-visualização do livro

capaExpedienteRostoCréditos

Este trabalho é dedicado (in memoriam), à Ciléia de Cassia (irmã), que me incentivou no caminho da verdade, dedicação e coragem para encarar os desafios da vida.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço à Deus pela minha saúde e de meus familiares, permitindo assim conseguir os objetivos diários. Agradeço ao Professor Doutor João Viana da Fonseca Neto pela confiança, paciência, incentivo, amizade e excelente orientação nesses dois anos de estudo. Ao demais professores do departamento pelo aprendizado acadêmico durante o curso. Aos colegas de laboratório (LABSECI e LCP) pelo convívio, aprendizado e harmonia no ambiente diário de estudos e pesquisas.

Agradecimentos aos pós-graduandos do Laboratório de Automação e Controle - UFMA pelo suporte prestado do início ao fim do projeto de pesquisa e a CAPES pelo suporte financeiro.

"A máquina, que produz abundância, tem-nos deixado em penúria. Nossos conhecimentos

fizeram-nos céticos; nossa inteligência, empedernidos e cruéis. Pensamos em demasia e

sentimos bem pouco. Mais do que de máquinas, precisamos de humanidade. Mais do que

de inteligência, precisamos de afeição e doçura. Sem essas virtudes, a vida será de

violência e tudo será perdido. (...) Soldados! Não batalheis pela escravidão! Lutai pela

liberdade! No décimo sétimo capítulo de São Lucas está escrito que o Reino de Deus está

dentro do homem - não de um só homem ou grupo de homens, mas dos homens todos!

Vós, o povo, tendes o poder de tomar esta vida livre e bela... de fazê-la uma aventura

maravilhosa. Portanto - em nome da democracia - usemos desse poder, unamos-nos todos

nós. Lutemos por um mundo novo... um mundo bom que a todos assegure o ensejo de

trabalho, que dê futuro à mocidade e segurança à velhice. (...)"

Filme: O Grande Ditador

Autor: Charles Chaplin

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

LISTA DE SÍMBOLOS

SUMÁRIO

Capa

Folha de Rosto

Créditos

1 INTRODUÇÃO

1.1 JUSTIFICATIVAS

1.2 MOTIVAÇÃO

1.3 OBJETIVOS

1.3.1 OBJETIVO GERAL

1.3.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS

1.4 ESTADO DA ARTE

1.5 METODOLOGIA DO TRABALHO

1.6 ORGANIZAÇÃO DO LIVRO

2 MODELAGEM MATEMÁTICA DA PONTE ROLANTE

2.1 MODELO 3D DA PONTE ROLANTE

2.2 MODELO DINÂMICO DE UMA PONTE ROLANTE

2.3 EQUAÇÕES PARA A POSIÇÃO DA CARGA

2.4 PARÂMETROS DA PONTE ROLANTE

2.5 EQUAÇÕES DINÂMICAS

2.5.1 LINEARIZAÇÕES

2.6 MODELO LAGRANGEANO

2.7 FUNÇÃO LAGRANGEANA

2.8 LAGRANGE E O PRINCÍPIO DE HAMILTON

2.9 VARIÁVEIS DIFERENCIÁVEIS

2.10 VELOCIDADE DA CARGA EM TRÊS DIMENSÕES (X, Y E Z)

2.11 ENERGIA CINÉTICA TOTAL DA PONTE ROLANTE

2.12 A ENERGIA POTENCIAL TOTAL DA PONTE ROLANTE

2.13 A EQUAÇÃO DE LAGRANGE

2.14 FORMULAÇÃO EULER-LAGRANGE

2.15 LINEARIZAÇÃO PARA PEQUENOS ÂNGULOS

3 CONTROLE ÓTIMO E FUZZY

3.1 CONTROLE ÓTIMO

3.2 SISTEMA DE CONTROLE MODERNO

3.2.1 ÍNDICE DE DESEMPENHO

3.2.2 EQUAÇÕES DE HAMILTON

3.3 LQR-REGULADOR LINEAR QUADRÁTICO

3.4 LÓGICA FUZZY

3.4.1 HISTÓRICO

3.4.2 CONJUNTOS FUZZY

3.4.3 OPERAÇÕES BÁSICAS ENTRE CONJUNTOS FUZZY

3.4.4 FUNÇÕES DE PERTINÊNCIAS

3.4.5 VARIÁVEIS LINGUÍSTICAS

3.4.6 FUZIFICAÇÃO

3.4.7 REGRAS FUZZY

3.4.8 DEFUZIFICADOR

3.4.9 ESTRUTURAS BÁSICAS PARA UM CONTROLADOR FUZZY

4. PROJETO DO SISTEMA DE CONTROLE FUZZY-ÓTIMO

4.1 MODELO DA PONTE ROLANTE NO ESPAÇO DE ESTADOS

4.3 CONTROLE FUZZY ESTÁVEL

4.4 PRINCÍPIO MÍNIMO DE PONTRYAGIN

4.5 CONTROLE FUZZY-ÓTIMO

4.5 ARQUITETURA DO SISTEMA DE CONTROLE FUZZY-ÓTIMO

4.5.1 DIAGRAMA DE BLOCO DO SISTEMA

4.6 ALGORITMOS DE CONTROLE FUZZY-ÓTIMO

4.6.1 ALGORITMO 1 - CONDIÇÕES INICIAIS

4.6.2 ALGORITMO 2 - LÓGICA FUZZY

4.6.3 ALGORITMO 3-OTIMIZAÇÃO FUZZY-ÓTIMO

5. EXPERIMENTOS DO CONTROLE FUZZY-ÓTIMO

5.1 ORGANIZAÇÃO E CONSIDERAÇÕES DAS SIMULAÇÕES

5.1.1 PARÂMETROS FIXO DA PONTE ROLANTE

5.1.2 PARÂMETROS DOS CONTROLADORES PID TUNE E FUZZY-ÓTIMO

5.1.3 GERAÇÃO DA BASE VETORIAL FUZZY

5.1.4 CONDIÇÕES INICIAIS AOS ESTADOS

5.2 COMPARAÇÃO ENTRE OS DESEMPENHOS DE CONTROLE

5.2.1 SINAIS DE ENTRADA SIMULTÂNEOS

5.2.2 DESEMPENHO DE CONTROLE PARA O EIXO DE TRANSLAÇÃO

5.2.3 Desempenho de controle para o eixo de translação

5.2.4 DESEMPENHO DE CONTROLE PARA O BALANÇO PENDULAR DA CARGA EM

5.2.5 DESEMPENHO DE CONTROLE PARA O BALANÇO PENDULAR DA CARGA EM

5.2.6 RESPOSTAS DE CONTROLE DO MOVIMENTO DO CABO L NO EIXO

5.2.7 RESPOSTAS DE CONTROLE PARA CHAVEAMENTO DO SINAL SIMULTÂNEOS

5.2.8 SINAIS DE CONTROLE SIMULTÂNEOS TOTAL

6. CONCLUSÃO

6.1 CONTRIBUIÇÕES

6.2 TRABALHOS FUTUROS

6.3 PRODUÇÃO CIENTÍFICA

REFERÊNCIAS

APÊNDICES

A DIAGRAMA DE BLOCOS

B DESENVOLVIMENTO MATEMÁTICO COMPLEMENTAR

C DISPOSITIVOS E ELEMENTOS DA PONTE ROLANTE

D NORMAS E PROCEDIMENTOS PARA PONTES ROLANTES

Landmarks

Capa

Folha de Rosto

Página de Créditos

Sumário

Bibliografia

1 INTRODUÇÃO

O desenvolvimento de tecnologias para mover objetos pesados e de grandes dimensões tem sido uma busca constante tendo em vistas facilitar o processo de transporte de tais materiais em ambientes industriais (MOHANLAL; KAIMAL, 2004). A ponte rolante é o sistema mais eficiente para realizar a locomoção de cargas pesadas em grandes ou pequenas distâncias, mas com algumas dificuldades, pois o movimento pendular da carga retarda o posicionamento preciso da mesma (HAYAJNEH et al., 2008). Além de dificultar o trabalho do operador, grandes balanços podem causar danos às cargas ou até provocar acidentes, pondo em risco a integridade física das pessoas. Deve-se evitar que as cargas venham a sofrer algum tipo de dano, causando prejuízos para operadores e cargas que podem ter um grande valor financeiro.

A importância