Enquadramento

A implementação do processo de Bolonha veio alterar o método de ensino em Portugal. Com Bolonha o papel do aluno na sua aprendizagem tornou-se mais activo; além de assistir às aulas presenciais, tornou-se essencial estudar e adquirir novos conhecimentos por si. Este novo método de ensino trouxe a necessidade de criar novas ferramentas e metodologias de ensino para que o aluno consiga terminar com sucesso as disciplinas que se inscreveu. Neste âmbito foram criados laboratórios virtuais (simulações) e remotos (sistemas reais controlados à distância) que permitem aos alunos pôr em prática e evoluir os conhecimentos adquiridos nas aulas presenciais. Estas ferramentas adequam-se perfeitamente às necessidades de Bolonha pois são um método viável para a transmissão de informação podendo ser acedidos a qualquer hora e lugar através da internet.

No intuito de continuar a desenvolver novas ferramentas e métodos de ensino surge este trabalho de dissertação: elaboração e disponibilização de um ebook para o ensino de controlo digital contendo toda a teoria de controlo necessária, todos os conceitos matemáticos necessários, simulações importantes e hiperligações para os diversos laboratórios remotos existentes e sites de interesse na área.

Consiste num trabalho multidisciplinar e irá ser desenvolvido pelo Departamento de Electrónica Industrial (DEI) em parceria com o Departamento de Produção e Sistemas (DPS).

Objectivos

O principal objectivo deste trabalho é elaborar um ebook, com linguagem e exemplos simples e acessíveis. O ebook irá conter toda a teoria necessária para o ensino de controlo digital assim como simulações e hiperligações para vídeos, laboratórios virtuais e outras ferramentas que permitam por em prática e evoluir os conhecimentos aprendidos.

Outro objectivo deste trabalho passa por disponibilizar aos alunos uma ferramenta informática que possam instalar no seu computador e com a possibilidade de a utilizar sem necessidade de ligação à internet. Neste âmbito o ebook surge como uma ferramenta capaz de atingir esse objectivo pois consiste num livro digital equivalente a um livro tradicional que pode ser lido em qualquer computador mesmo sem ligação à internet.

Pretende-se com a leitura do ebook que os alunos consigam aprender a teoria inerente ao controlo, que coloquem em prática os seus conhecimentos, evoluir na aprendizagem e de certa forma, que sirva para estimular o seu interesse para os problemas de controlo de processos.

Por fim, pretende-se que este ebook consiga explicar todos os conceitos matemáticos necessários nesta área e ao mesmo tempo ajudar os alunos a compreender a importância desses mesmos conceitos fazendo assim uma ligação entre a área do controlo e a matemática, em particular os métodos numéricos utilizados na resolução dos modelos que descrevem os problemas.

Estado da arte

Com este projecto pretende-se reunir num ebook toda a teoria relevante para o ensino de Controlo assim como algumas páginas e informações da Internet referentes ao controlo digital.

Já foram realizados alguns estudos que demonstram a importância da criação de novas ferramentas e métodos de apoio ao ensino tradicional [1-3].

Foi também realizada uma pesquisa na Internet de modo a encontrar páginas relativas à área de controlo digital e constatou-se que actualmente existe muita informação no que diz respeito a este tema assim como páginas dedicadas a simulações e laboratórios remotos onde os alunos podem realizar as suas experiências.

De seguida, são apresentadas algumas das páginas mais relevantes que foram encontradas nessa pesquisa.

• http://dei-s1.dei.uminho.pt/labsim/SimLab/Home.html [4]

Esta página, elaborada na Universidade do Minho, possui muita informação referente à área de controlo assim como aos métodos numéricos. Apresenta o LabSim - Laboratório Virtual de Controlo SimLab e permite a simulação de sistemas eléctricos, mecânicos, hidráulicos e térmicos. O sistema de controlo funciona tanto em malha aberta como em malha fechada, implementando diferentes tipos de controlador: On-Off ou PID, nas suas quatro variantes (velocidade, posição e respectivas modificações). Também permite ao utilizador estudar vários métodos numéricos para a resolução das equações diferenciais do modelo matemático do caso em estudo.

• http://www.ebook3000.com/State-Space-and-Unobserved-Component-Models--Theory-and-Applications_36759.html [5]

Este site possui um ebook sobre o espaço de estado aplicados as diversas áreas estando incluídos os problemas de Engenharia.

• http://www.ebookee.com/Linear-State-Space-Control-Systems_173259.html [6]

Neste site é possível obter um ebook sobre o controlo digital focando-se na parte do método de espaço de estados.

• http://www.ebookee.com/Linear-State-Space-Control-Systems_173259.html [7]

Esta página contém um ebook referente à área de controlo digital.

• http://www.linbai.info/science-engineering/digital-control-of-electrical-drives.html [8]

Esta página contém um ebook sobre o controlo digital de accionamentos electrónicos.

• http://www.me.cmu.edu/ctms/modeling/tutorial/statespace/mainframes.htm [9]

Este site possui muita informação teórica relativa à área de controlo digital focando-se mais no espaço de estados. Possui também um excelente tutorial ensinando a criar modelos de sistemas no simulink.

• http://math.fullerton.edu/mathews/c2003/ZTransformIntroMod.html [10]  

Esta página contém conteúdos teóricos referentes à transformada de Z.

• http://www.engin.umich.edu/group/ctm/rlocus/rlocus.html [11]

Este site possui teoria relativa a vários conceitos da área do controlo digital.

• http://www.esr.ruhr-uni-bochum.de/VCLab/ [12]

Este site apresenta simulações de alguns sistemas. O sistema mais importante desta página será talvez o sistema com três tanques.

• http://prt.fernuni-hagen.de/virtlab/info_e.html [13]

Este site consiste num laboratório remoto que permite o controlo da direcção de um robot, assim como visualização de simulações e dados da experiencia.

• http://lab.dia.uned.es/automatlab/index_en.html [14] 

Site que possui vários laboratórios remotos; destacam-se nesta área o sistema de controlo da altura de um tanque o e o sistema de controlo de altura de três tanques.

• http://act.dii.unisi.it/home.php [15]

Nesta página é possível realizar várias experiências em laboratórios remotos assim como ver a informação teórica necessária para a realização das respectivas experiências.

 Conteúdo do ebook

Nesta fase do trabalho, e de acordo com os conteúdos curriculares de cada disciplina envolvida na elaboração do ebook para Controlo Digital, Os tópicos abordados serão:

Modelização de Sistemas em Espaço de Estados

• Modelização de sistemas físicos
• O conceito de estado.
• Modelo de um sistema como uma equação vectorial linear
• Solução de estado

A Amostragem de Sinais Contínuos.

• Descrição do mecanismo de amostragem.
• O teorema da amostragem
• Reconstrução
• 'Aliasing'
• Aspectos práticos da escolha do período de amostragem.

Modelos de Processos Orientados ao Computador.

• Amostragem de um modelo de espaço de estados.
• Sistemas com atraso puro.
• Modelos de entrada-saída.
• O operador de avanço e sua álgebra.
• Resposta impulsional e o operador de transferência impulsional.
• A transformada em Z e a função de transferência impulsional.
• Pólos e zeros.

Análise de Sistemas Discretos.

• Estabilidade.
• Aplicação do método do lugar de raízes.
• Determinação do coeficiente de amortecimento e frequência natural de oscilação em sistemas digitais de controlo de 2ª ordem.

Conteúdos Adicionais

• Métodos Numéricos em Equações Diferenciais
• Simulações
• Vídeos
• Informação (links e endereços) para páginas sobre os temas em estudo

Linguagem de programação a utilizar

Devido à necessidade de realizar simulações que apresentam interfaces gráficas irá ser necessário utilizar linguagens que possuam esses requisitos como por exemplo o C# e o Labview.

Em certos casos poderá ainda ser utilizado o Matlab devido às suas capacidades de processamento nomeadamente nos métodos numéricos.

A criação do ebook irá ser realizada em html devido as suas potencialidades de conter todo o tipo de informação.

Calendarização

1. Revisão da teoria do Controlo Digital e Métodos Numéricos (1 mês);
2. Pesquisa de informação sobre simulações vídeos e laboratórios remotos sobre este tema (2 meses);
3. Elaboração dos Conteúdos Teóricos Matemáticos e de Controlo(3 meses);
4. Definição da linguagem de programação a utilizar (1 mes);
5. Criação das simulações, vídeos e outros materiais necessários (5 meses);
6. Elaboração do ebook (1 mes);
7. Realização de testes e conclusões sobre as simulações criadas e o trabalho efectuado (2 meses);
8. Escrita da tese (2 meses);

Referências

[1] Soares, F.O.; Leão, C.P.; Moreira, A.; Mota, A.; Arantes, F.; Dias, F., "Funcionalidades Web como complemento ao Ensino Presencial", in Conferência: eLearning no Ensino Superior, Aveiro, Portugal (2004).

[2] Leão, C.P.; Soares, F.O., "Internet based complementary learning and assessment", 4th International Conference on Multimedia and Information and Communication Technologies in Education-Current Developments in Technology-Assisted Education.

[3] Soares, F.O.; Leão, C.P., "Kits didácticos no ensino de Automação e Controlo - caso de estudo", Engenharias'07 - Inovação & Desenvolvimento, Portugal, 2007.

[4] http://dei-s1.dei.uminho.pt/labsim/SimLab/Home.html

[5] http://www.ebook3000.com/State-Space-and-Unobserved-Component-Models--Theory-and-Applications_36759.html

[6] http://www.ebookee.com/Linear-State-Space-Control-Systems_173259.html

[7] http://www.ebookee.com/Linear-State-Space-Control-Systems_173259.html

[8] http://www.linbai.info/science-engineering/digital-control-of-electrical-drives.html

[9] http://www.me.cmu.edu/ctms/modeling/tutorial/statespace/mainframes.htm

[10] http://math.fullerton.edu/mathews/c2003/ZTransformIntroMod.html

[11] http://www.engin.umich.edu/group/ctm/rlocus/rlocus.html

[12] http://www.esr.ruhr-uni-bochum.de/VCLab/[

[13] http://prt.fernuni-hagen.de/virtlab/info_e.html

[14] http://lab.dia.uned.es/automatlab/index_en.html

[15] http://act.dii.unisi.it/home.php