Estudo de um modelo didático para demonstração de técnicas de controle PID

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um modelo didático do sistema Ball and Beam, para demonstração prática de técnicas de controle PID (Proporcional, Integral e Derivativo), com o objetivo de contribuir para o ensino e a compreensão de sistemas dinâmicos no contexto acadêmico. A proposta visa oferecer uma ferramenta acessível, composta por hardware e software, capaz de integrar teoria e prática no ensino de controle automático. A metodologia adotada consistiu na construção de uma bancada composta por uma barra do tipo calha, um servo-motor MG995 para o acionamento da barra, um sensor infravermelho Sharp GP2Y0A21Y para detecção da posição da esfera e um microcontrolador Arduino MEGA 2560 para processamento e aplicação do controle. O sistema permite o ajuste dos ganhos proporcional, integral e derivativo, viabilizando a observação prática do impacto de cada parâmetro na resposta do sistema. A modelagem matemática da planta foi realizada com base nas leis fundamentais da mecânica, obtendo-se uma função de transferência, que representa o comportamento do sistema e orienta o ajuste dos parâmetros do controlador. O método de sintonia utilizado foi o de Ziegler-Nichols (curva de reação), complementado por ajustes manuais para otimizar o desempenho do controle na planta física. Foram realizados ensaios práticos e simulações no ambiente Scilab/Xcos para análise do comportamento dinâmico do sistema. Os testes demonstraram que, enquanto na simulação o sistema apresentou resposta suave e estável com parâmetros ajustados, na planta física foi necessária maior agressividade no controle, sobretudo no ganho derivativo, para compensar fatores como ruído do sensor, inércia da esfera e limitações mecânicas do conjunto. Os resultados evidenciaram a importância da sintonia adequada dos parâmetros PID e da experimentação prática no processo de aprendizado. Além disso, a comparação entre os dados simulados e os obtidos na planta real permitiram ilustrar as diferenças entre o modelo matemático e o comportamento de um sistema físico sujeito a perturbações e imperfeições. Por fim, o projeto alcançou seu objetivo de fornecer uma ferramenta didática eficaz, que facilita a visualização e o entendimento dos conceitos de controle PID. O modelo desenvolvido permite que estudantes e pesquisadores explorem de forma prática os fundamentos do controle de sistemas dinâmicos, além de possibilitar futuras expansões e melhorias, como a implementação de técnicas de controle avançadas ou o uso de sensores de maior precisão.