Modelagem e controle de uma incubadora neonatal

Este trabalho apresenta uma introdução sobre a história da neonatologia, a conceituação e a modelagem matemática do sistema térmico de uma incubadora neonatal, contendo a relação da mesma com um recém-nascido quanto a trocas térmicas, a partir da primeira lei da termodinâmica. É apresentado o método que foi utilizado para a linearização (Séries de Taylor) e os pontos de operação calculados para o sistema linear obtido no formato de espaço de estados, e a partir deste foi obtida uma representação em função de transferência. A partir da modelagem matemática do sistema, foi realizado um teste em malha aberta para verificar as características do mesmo, como estabilidade, constante de tempo e convergência para um valor final desejado, e como o sistema real opera em malha fechada, foi também realizado um teste com o sistema nesta configuração contendo um ganho unitário de malha. O comportamento do sistema não linear foi comparado ao do sistema linearizado através de suas curvas de resposta temporal a uma entrada degrau para a verificação da validade da representação linear, e após a sua validação, diagramas de bode foram gerados para diferentes parâmetros do modelo, para observar-se o efeito desta variação no comportamento dinâmico da planta, e foi percebido que o comportamento do modelo não é alterado de forma substancial para a variação dentro das faixas verificadas. Um controlador proporcional e integral (PI) foi então projetado para a eliminação do erro de regime permanente presente resposta temporal do sistema.. Testes sob diversas condições de operação foram realizados no sistema linear assim como as curvas de variação de temperatura foram obtidas com o controlador aplicado no modelo não linear, sendo os resultados considerados satisfatórios para este tipo de aplicação. Este trabalho foi realizado com o auxílio da ferramenta computacional Simulink do software Matalb®.

ABSTRACT: This work presents an introduction about neonatology history, the concept and mathematical modeling of a neonatal incubator’s thermal system, with its thermal exchanges relations to an infant by the first law of thermodynamics. The method used for linearization (Taylor series) it is showed and the operation points calculated to the linear system obtained in the state space format, and then a representation in transfer function format. By the system’s mathematical modelling, an open loop test was done to verify the model behaviour, as characteristics of stability, time constant and convergence to a desired final value, and how the system operates at closed-loop, the system on this configuration was tested with the usage of an unitary gain. The behaviour of the non linear system was compared to the linearized system through their time response curves at a presence of a degree input to the verification of the linearized representation validity, and after the validation, bode diagrams were generated to different model parameters, to notice the effect of this variation on the model’s dynamic behaviour, and was observed that the model’s behaviour do not vary at a substantial form inside the verified ranges of values. A proportional and integral (PI) controller then was designed to eliminate the steady-state error present at the system’s time response. Tests under few operating conditions were done at the linear representation and the temperature variation curves were obtained with the controller applied to the non linear model, and the results were considered satisfactory to this kind of application. This work was made with the assistance of computational tool Simulink of the software Matlab®.