Controle Analógico de um Levitador Magnético (MagLev) de Simples Construção e Operação Luis Filipe de F. P. Wiltgen Barbosa1, Francisco E. D. F. Costa1, Gerson Otto Ludwig1 e Cairo L. Nascimento Jr.2 1Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE – LAP 2Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA – EEC wiltgen@plasma.inpe.br, ludwig@plasma.inpe.br e cairo@ita.br Resumo Este pôster apresenta uma abordagem para controle de um Levitador Magnético (MagLev) utilizando controle analógico. Este MagLev foi construído com o intuito de testar sistemas de controle para um experimento de fusão nuclear, neste caso, sistemas de controle clássicos analógicos (Proporcionais-Derivativos (PD), Proporcionais-Integrais (PI) e Proporcionais-Integrais-Derivativos (PID)) e neurais (Redes Neurais Artificiais Lineares e Não-Lineares), por ser de fácil modelagem, construção e experimentação. Neste o controlador utilizado é analógico (Avanço de Fase), implementado em um circuito eletrônico simples, ideal para construções didáticas em disciplinas de controle em cursos de graduação. Dinâmica Não-Linear do Levitador Magnético O método mais comum de levitação magnética é baseado na utilização de um eletroímã. O eletroímã é um ímã controlado por corrente elétrica, capaz de suspender um determinado objeto metálico a uma determinada altura (distância de operação) no eixo vertical, apenas com o campo magnético gerado pela corrente elétrica que circula no solenóide. Em um MagLev o sistema de controle é a parte fundamental do dispositivo, o sistema dinâmico de um MagLev é um sistema não-linear, onde o controle deve atuar no balanço dinâmico do objeto metálico levitado, no sentido de manter em equilíbrio as forças atuantes no sistema. Esta dinâmica é regida pelas equações abaixo: Posição e Corrente Peso da Esfera Metálica Indutância do Eletroímã LGR do MagLev sem o controlador LGR modificado pelo controlador LGR do controlador real – Região de Estabilidade Controlador Analógico Controlador Real Controlador Simulado Esfera Levitando no MagLev Esfera levitando em um ponto de operação fixo em ~6,5 mm. A região de controle deste eletroímã é grande o suficiente para proporcionar um controle flexível, inclusive possibilitando operar o MagLev com pequena corrente elétrica. corrente elétrica que circula no eletroímã durante seu funcionamento com a esfera a distância de operação de aproximadamente 6,5 mm corresponde a aproximadamente 400 mA. Aspectos Construtivos do MagLev Estrutura Mecânica Circuito Eletrônico do Controlador Eletroímã Parâmetros Valores R ~9,16  L ~122,5 mH Fio 24 AWG Espiras ~1800 L/R ~13,5 ms Ferrite 100 mm x 10 mm Solenóide 80 mm x 25 mm Distância X0 ~0,005 m – 0,020 m Corrente i0 ~0,3 – 1 A Raj ~22  Peso da esfera m 0,001 kg C (constante de força) 2.10-6 N.m2/A2 k (constante) 400.10-6 N/A Os sensores utilizados para o posicionamento da esfera foram os foto-transistores do tipo TIL 32 e TIL 78. Os resultados experimentais mostraram que os sensores podem ser de outros tipos. Entretanto se os sensores forem sensíveis à luz, o par formado pela fonte e pelo receptor, devem estar protegidos da incidência direta de outras fontes de luz, pois estas podem vir a influenciar as medidas de posição. Conclusão e Testes Resposta a uma perturbação na posição da esfera e sinal de tensão elétrica, que corresponde à corrente elétrica no eletroímã A utilização do controlador analógico neste MagLev, se mostrou bastante eficiente. Pode-se operar o sistema com distâncias de aproximadamente 18 mm. Como pode ser visto, tanto o circuito eletrônico, quanto a estrutura de suporte utilizados neste MagLev são simples o suficiente para serem utilizadas como aplicação didática em controle. O mais interessante deste sistema de levitação magnética para uma disciplina de controle, é que o mesmo incorpora a construção mecânica, a modelagem física e a simulação de controle em várias fases do desenvolvimento. Tornando possível um estudo detalhado de controladores clássicos (PD, PI e PID), além dos métodos de verificação de estabilidade de sistemas de controle. * As esferas utilizadas nos testes experimentais possuem diâmetro de 15 mm e foram construídas a partir de duas calotas esféricas conformadas a partir de uma chapa de ferro, obtidas de latas comuns, com 0,25 mm de espessura. Para conformar a chapa de ferro com o diâmetro necessário, foi construído um dispositivo que permitiu formar as calotas esféricas. Esferas Metálicas Setembro 2004