Controle preditivo baseado em modelo embarcado de um sistema levitador pneumático

Abstract

Este trabalho apresenta o projeto, a implementação e a validação experimental de um controlador preditivo baseado em modelo linear (LMPC) embarcado, integrado a um Filtro de Kalman Estendido (EKF), aplicado a um levitador pneumático. O sistema é composto por um tubo vertical de acrílico e um ventilador, caracterizando uma planta não linear e instável em malha aberta. O modelo matemático foi formulado em espaço de estados e linearizado em torno de um ponto de operação. Os parâmetros da planta foram obtidos via ensaio de resposta ao degrau. O EKF estima as velocidades da esfera e do escoamento de ar a partir da posição medida por um sensor Time-of-Flight, além de estimar um estado de distúrbio para compensação de incertezas aerodinâmicas. A lei de controle com restrições operacionais é resolvida pelo solver TinyMPC, baseado no método ADMM. A solução foi embarcada em um microcontrolador STM32 utilizando o sistema operacional Zephyr RTOS com período de amostragem de 50 ms. O desempenho foi avaliado por métricas integrais (IAE, ISE, ITAE, Energia e TV) ao longo da faixa de operação e comparado a um controlador PI. Os resultados experimentais demonstram que o LMPC com estimador de distúrbio eliminou o erro de regime permanente e reduziu o IAE em 70,4% no ponto nominal em relação à malha clássica, com paridade de consumo energético. O compromisso estabelecido por essa resposta mais rápida foi um aumento moderado na variação total (TV) do esforço de atuação. A solução provou ser estritamente viável para tempo real, consumindo menos de 10% da capacidade da CPU.