Presentacin de PowerPoint

SISTEMAS DE CONTROLE I

Dr. Miguel Angel Rodrguez Borroto

Escola Superior de Tecnologia (EST)Universidade do Estado de amazonas (UEA)

e-mail: #1. mrb1940@gmail.com

CONFERENCIA 1

Introduo Disciplina e ao Sistemas de Controle Automtico

CONTEUDO

Introduo Disciplina. Sistema de avaliao. Bibliografia bsica. Referencias bibliogrficas.Contedo do Curso.Fundamentos dos Sistemas de Controle.Concluses.

OBJETIVOS

Familiarizar-se com os aspectos organizativos fundamentais da disciplina.

Reconhecer os aspectos bsicos dos sistema de controle automticos em sua vinculao com as aplicaes industriais.

Introduo Disciplina. Sistema de avaliao:

O sistema de avaliao :Avaliao 1: Prova 1 com questes objetivas e subjetivas (0 a 10) = P1NOTA 1 = P1Avaliao 2: Prova 2 com questes objetivas e subjetivas (0 a 10) = P2NOTA 2 = P2MDIA DAS AVALIAES: MA = (P1 + P2)/2. Se MA > 8 e ndice de Assiduidade > 75% = ALUNO APROVADO Se 4 < MA < 8 O aluno se submeter a Prova Final (PF), reunindo toda a matria, para obter a MDIA FINAL (MF): MF = (MA*2 + PF)/3. Se MF > 6 ALUNO APROVADO

A metodologia de ensino baseada na conferencia tradicional sobre os aspectos tericos com atividades praticas de resoluo de exerccios e problemas usando o MatLab.

Bibliografia bsica

Livro de Texto:Ogata, K.; Engenharia de Controle Moderno. 4ta Edio em portugus. Pearson, 2008.

Livros de consulta:Kuo, B. C.; Automatic Control Systems. 6ta edio. Prentice Hall. 1982.

Dorf, R.; Modern Conrtrol. 4ta Edio.Outros livros de texto.

Introduo ao Sistemas de Controle

A disciplina Sistemas de Controle I tem como proposito central fazer que os alunos adquiram os conhecimentos essenciais sobre os mtodos de analises e snteses (projeto) dos sistemas de controle automtico, o seja, os sistemas que so capazes de realizar funes de controle e regulao de determinados processos, tanto industriais como econmico, etc., sem a interveno direta e imediata do operador humano.

Introduo ao Sistemas de Controle

Tal proposito alcanado a traves de elementos sensores que medem e supervisam os parmetros e variveis que caracterizam o desempenho do processo controlado.

Alm disso os sistemas de controle esto providos de dispositivos que so capazes de analisar a falta de correspondncia o erro que existe entre os valores observados pelos sensores e os valores desejados e, baseado nesse erro, estabelecer as correes necessrias no processo.

Introduo ao Sistemas de Controle

Esse elemento do sistema de controle que realiza as correes sobre o processo recebe o nome de CONTROLADOR e desempenha o papel de crebro do sistema automtico de controle.

Mas, para poder realizar o controle do processo, o sistema auxiliado pelo que se lhama o ELEMENTO FINALE DE CONTROLE, que o dispositivo que atua sobre o processo para modificar sua conduta de acordo com as exigncias de desempenho.

Introduo ao Sistemas de Controle

Por suposto, todos estes elementos mencionados atuam sobre um processo determinado para modificar sua conduta e lograr que seu desempenho seja o desejado ou estabelecido pela tecnologia.

Por ex: Sendo um controle de velocidade; o processo o motor que move a carga cuja velocidade deseja-se controlar, sendo um controle de temperatura, o processo pode ser o aquecedor industrial que realiza essa funo, etc. etc.

Introduo ao Sistemas de Controle

De modo que, segundo temos visto at aqui, um sistema de controle fica formado essencialmente por: Um subsistema de medio.Um subsistema de deteco de erro e controle.Um subsistema de atuao com ao motora que aciona sobre o processo.E, uma parte que essencial, o processo mesmo a controlar.

Introduo ao Sistemas de Controle

Seguindo a frase do celebre filosofo chino Confcio que diz: Um esquema diz mais que milhes de palavras, podemos representar um sistema de controle, em sua concepo mais elementar, pelo o diagrama de bloque mostrado a seguir:

Fig. 1

CONTROLADORELEMENTO FINAL DE CONTROLEPROCESSO CONTROLADOELEMENTO DE MEDIOReferencia ou valor desejadoSada do sistemaErro+-

Introduo ao Sistemas de Controle

Os sistemas de controle jogam um role muito importante, tanto na engenharia avanada como na cincia.

Eles tm especial importncia no controle de sistemas de mssil teledirigidos, sistemas robotizados, no controle de manufatura nos chamados sistemas automatizados de produo, no controle dos processos industriais, etc.

Introduo ao Sistemas de Controle

So muito importante no controle numrico de mquinas ferramentas, no projeto de auto-pilotos para avio, no projeto de carros e camies.

Em processos industriais no controle de temperatura, fluxo, presso, humidade, viscosidade, etc. procurando um desempenho timo do processo quanto a consumo de materiais e energia o controle automtico joga um papel fundamental.

Breve resenha Histrica

O controle automtico no mundo surge praticamente com os trabalhos do inventos James Watt e seu famoso regulador centrifugo de Watt para controlar a velocidade da mquina de vapor que ele inventara.Outros trabalhos significante no desenvolvimento da teoria dos sistemas de controle foram os trabalhos de Minorsky, Hazen e Nyquist, alm de outros.

Breve resenha Histrica

Em 1922, Minorsky desenvolveu um sistema automtico de controle para barcos e demonstrou que a estabilidade de um sistema de controle pode-se analisar a traves do analise da soluo da equao diferencial que descreve o desempenho do sistema.

Em 1932, Nyquist desenvolveu um principio simples para determinar a estabilidade de um sistema de controle em malha fechada, baseado na resposta do sistema em malha aberta a uma excitao tipo senoidal de freqncia varivel.

Breve resenha Histrica

Em 1934, Hazen introduziu por primeira vez o termino servomecanismo para definir os sistemas de controle da posio mecnica, mediante os sistemas de controle a rel.

Durante a dcada dos anos 1940 o mtodo da resposta de frequncia, baseado nos chamados diagramas de Bode, fez possvel aos engenheiros em controle projetar sistemas de controle lineares em malha fechada muito efetivos.

Breve resenha Histrica

A finais dos anos 1940 e primeiros anos dos 50, Evans introduziu seu chamado mtodo do lugar geomtrico das razes, o qual ficou ento estabelecido at hoje.

Ambos mtodos seguem-se usando hoje apoiado nas ferramentas da tecnologia digital os mtodos computacionais de projeto usando MatLab e outros produtos de software.

Breve resenha Histrica

A finais dos anos 1950, devido a necessidade de desenvolver sistemas de controle que permitiram controlar o processo da maneira mais eficiente e econmica possvel, surgiram as tcnicas de controle timo, em algum sentido.

Breve resenha Histrica

As plantas modernas, com muitas entradas e muitas sadas, fizeram que os processos foram cada vez mais difceis de controlar. Surgiram assim os sistemas de controle multivariaveis, mltiplo entradas-mltiplo sadas.O mtodo clssico de controle baseado na resposta de frequncia e o root locus foram mtodos efetivos para o projeto de sistemas simples entrada-simples sada.

Breve resenha Histrica

Na dcada dos anos 1960, devido ao estabelecimento da computao digital foi possvel desenvolver a chamada teoria moderna do controle, baseada no conceito das variveis de estado, o qual fiz possvel o analise e projeto do sistemas de controle no domnio do tempo.Durante o anos 1960 at 1980 os sistemas de controle timo, estocstico e adaptativo foram pesquisados fortemente.

Breve resenha Histrica

Na dcada dos 1980, surgiu o chamado controle robusto, (sistemas que mantem um desempenho estvel independentemente das perturbaes que podam afeitar ao sistema), o qual hoje se conhece como a verdadeira teoria moderna do controle. A finais da dcada dos 70 e primeiros anos dos 80 surgiu na industrias (Shell nos EEUU e Adersa na Franza) um sistema de controle baseado em computadores conhecido como Controle Preditivo baseado no Modelo (MPC) o qual esta ganhando muito auge nas aplicaes industriais.

Breve resenha Histrica

Agora, baseado nos micro controladores, computador num sheap para o controle de processos, se podem construir sistemas de controles digitais integrados que cada dia adquirem maior aplicao em sistema no de engenharia.Aplicaes recentes neste sentido tem lugar em sistemas biolgicos, biomdicos, econmicos e at sociais.

Alguns conceitos e definies iniciais

Varivel controlada: a quantidade o condio que medida para ser controlada no sistema. a varivel de sada do sistema ou processo controlado.

Varivel manipulada: a quantidade o condio que deve ser variada pelo controlador para poder exercer a ao corretora na varivel controlada na sada. a a sada do elemento final de controle

Alguns conceitos e definies iniciais

Planta: Pode ser um equipe ou parte de ele onde tem lugar o processo que se deseja controlar. Ex: pde ser um motor eltrico com sua carga, um forno de aquecimento, um reator qumico, um veiculo espacial, um brao robtico, etc.

Processo: Dito com nossas prprias palavras, e a sequencia de operaes continuas ou descontinuas que se sucedem numa planta baixo condies de operao e que deve ser controlado para lograr o desempenho desejado.

Alguns conceitos e definies iniciais

Sistema: a combinao de mdios tcnicos e componentes, convenientemente selecionados e que atuam coordenadamente baixo os preceitos da engenheira do controle e que permite a operao da planta de maneira estvel e confivel. Distrbios: So os sinais que afeitam o normal desempenho do sistema de controle, exercendo influencia indesejvel sobre a sada da planta.

Alguns conceitos e definies iniciais

Controle por realimentao: A realimentao negativa ou feedback (em ingls), ou seja a comparao constante que tem que existir num sistema de controle entre os valores desejados da sada e o verdadeiro valor medido pelo sensor, o principio reitor do controle automtico.

Ento controle por realimentao refere-se a operao de controle no controlador que exerce a ao corretora do processo a partir do erro que existe entre o valor desejado ou sinal de referencia e o valor da varivel de sada medida. Na Fig. 1 mostra um sistema de controle realimentado.

Exemplos de sistemas de Controle

Controle de Velocidade: O principio bsico do regulador de velocidade de Watt, o qual mantem-se at hoje, se amostra esquematicamente a seguir:

Fig. 2

Exemplos de sistemas de Controle

Controle de um rob: Os robs industrial so muito utilizados na indstria para aumentar e melhorar a produtividade. A seguir se mostra o esquema de controle de um brao robotizado

Fig. 3. Rob usando uma parte de um sistema de reconhecimento de um processo.

Exemplos de sistemas de Controle

Controle de temperatura: A seguir se mostra o diagrama do sistema de controle de temperatura de um forno eltrico.

Fig. 4. Sistema de controle de temperatura num processo de aquecimento.

Exemplos de sistemas de Controle

Controle de temperatura do compartimento de passageiros de um carro: A seguir se mostra o diagrama funcional de do sistema de controle de temperatura do compartimento de passageiros de um carro.

Fig. 5. Sistema de controle das temperatura num carro.

Controle em malha aberta vs. Controle em malha fechada

Sistema de controle em malha fechada: Tambm conhecido como controle por feedback ou controle de realimentao: todo sistema que mantem uma relao prescrita entre um valor de sinal, tomado como referencia e o valor do sinal da sada usando a diferencia ou erro como mdio de controle.Estes sistemas ficam regidos na engenharia do controle pelo mesmo principio da realimentao negativa que rege na vida real.

Sistema de controle em malha aberta: todo sistema de controle onde as aes de controle no so afeitadas pelo sinal da sada. So todos os sistemas de controle que trabalham baixo um programa predeterminado. Por ex. as mquinas lavadoras de roupa, as mquinas eu centrifugam os acares na indstria aucareira, etc.

Controle de malha aberta vs. Controle de malha fechada

Sistema de controle em malha fechada versus sistema de controle em malha aberta:Os primeiros (malha fechada) so capazes de compensar, at certo ponto, os distrbios.Sua resposta insensvel, at certo ponto, das no exatido relativas dos parmetros do sistema.Podem legar a ser instveis devido a realimentao, este o maior problema dos sistemas em malha fechada.Os sistemas de malha fechada precisam um numero de componentes mais alto que os de malha aberta.Os sistemas de controle de malha aberta no presento instabilidade.

Om problema do analise e projeto dos sistemas de controle

Tanto o analise como o projeto de sistemas automticos de controles implica conhecer ou ter uma descrio matemtica ou modelo da planta onde tem lugar o processo que se deseja controla automaticamente.

Esses modelos em geral ficam determinados por um conjunto de equaes matemticas as quais, geralmente descrebem os estados transitrios no tempo, so equaes diferenciais ou integro diferenciais, embora podem incluir equaes algbricas e transcendentes, lineares y no lineares. A modelagem matemtico de um sistema de controle uma premissa bsica no analise e projeto de sistemas de controle de processos.

No chamado sistema de controle clssico os mtodos baseados na resposta de frequncia oferecem muito bom resultados, assim como o mtodo da localizao das razes para o analise e projeto n o domnio temporal.

Om problema do analise e projeto dos sistemas de controle

Porm, quando ao analise e projeto de sistemas de controle mais sofisticados, como so os sistemas de controle timo, os sistemas de controle adaptativo, os sistemas de controle robustos, os sistemas de controle multivariaveis, includo o moderno controle preditivo; a tcnica de analise e projeto no domnio do tempo, baseado nas variveis e equaes de estado do processo, se impem como ferramenta fundamental de projeto e analise. De modo que, a tcnica de analise e projeto depende do alcance da pesquisa que se deseja realizar; mas em qualquer dos casos se precisa de um modelo que se capaz de representar ao processo real com determinada exatido e preciso.

No mtodo clssico, resposta de frequncia e root-locus, predomina o chamado mtodo de prova e ensaio (trial and error) o qual tem dado muito bom resultados no projeto de sistemas de controle de processo de s uma entrada e s uma sada. (Sistemas SISO)

Om problema do analise e projeto dos sistemas de controle

Porm, nos sistema de mltiplo entradas e mltiplo sadas (sistemas MIMO), sistemas multivariaveis, os quais tem que ser modelados mediante o analise matricial; o mtodo de prova e ensaio, no oferece bom resultado.

Nestes casos, se precisa acudir, as tcnicas analticas de analise e projeto baseadas no conceito de estado, variveis de estado e equaes de estado e outros.

Para o caso mais geral, o caso no linear, modelo que descreve a planta ou processo no lineal, neste casso se precisa acudir a tcnicas especficas para cada caso particular. Nestes casos o mtodo clssico de balance de harmnicos e o mtodo do plano de fase oferece muito bom resultados no caso de sistemas SISO.

Em qualquer caso, independentemente do mtodo empregado, o software MatLab fundamental, tanto no analise como no projeto de sistemas de controle.

CONCLUSES

BIBLIOGRAFIA

Ogata, k.; Engenharia de Controle Moderna. Cap. 1. Kuo, B. C.; Sistemas Modernos de controle. Cap. 1 Pags. 1-5.Rodriguez Borroto, M. A.; Sistemas de controle I. Apresentao conf1.