SISTEMAS DE CONTROLE I
Dr. Miguel Angel Rodríguez Borroto
Escola Superior de Tecnologia (EST)Universidade do Estado de amazonas (UEA)
e-mail: #1. [email protected]
CONFERENCIA 1
Introdução à Disciplina e ao Sistemas de Controle Automático
CONTEUDO
• Introdução à Disciplina. Sistema de avaliação. Bibliografia básica. Referencias bibliográficas.• Conteúdo do Curso.
• Fundamentos dos Sistemas de Controle.• Conclusões.
OBJETIVOS
• Familiarizar-se com os aspectos organizativos fundamentais da disciplina.
• Reconhecer os aspectos básicos dos sistema de controle automáticos em sua vinculação com as aplicações industriais.
Introdução à Disciplina. Sistema de avaliação:
O sistema de avaliação é:• Avaliação 1: Prova 1 com questões objetivas e subjetivas (0
a 10) = P1NOTA 1 = P1
• Avaliação 2: Prova 2 com questões objetivas e subjetivas (0
a 10) = P2NOTA 2 = P2
• MÉDIA DAS AVALIAÇÕES: MA = (P1 + P2)/2. Se MA > 8 e Índice de
Assiduidade > 75% = ALUNO APROVADO Se 4 < MA < 8 O aluno se submeterá a Prova Final (PF), reunindo toda a matéria, para obter a MÉDIA FINAL (MF): MF = (MA*2 + PF)/3. Se MF > 6 – ALUNO APROVADO
A metodologia de ensino é baseada na conferencia tradicional sobre os aspectos teóricos com atividades praticas de resolução de exercícios e problemas usando o MatLab.
Bibliografia básica
Livro de Texto:Ogata, K.; Engenharia de Controle Moderno. 4ta
Edição em português. Pearson, 2008.
Livros de consulta: Kuo, B. C.; Automatic Control Systems. 6ta
edição. Prentice Hall. 1982.
Dorf, R.; Modern Conrtrol. 4ta Edição. Outros livros de texto.
Introdução ao Sistemas de Controle
A disciplina Sistemas de Controle I tem como proposito central fazer que os alunos
adquiram os conhecimentos essenciais sobre os métodos de analises e sínteses (projeto)
dos sistemas de controle automático, o seja, os sistemas que são capazes de realizar
funções de controle e regulação de determinados processos, tanto industriais como económico, etc., sem a intervenção direta e imediata do operador humano.
Introdução ao Sistemas de Controle
Tal proposito é alcançado a traves de elementos sensores que medem e supervisam os
parâmetros e variáveis que caracterizam o desempenho do processo controlado.
Além disso os sistemas de controle estão providos de dispositivos que são capazes de analisar a falta
de correspondência o erro que existe entre os valores observados pelos sensores e os valores desejados e, baseado nesse erro, estabelecer as
correções necessárias no processo.
Introdução ao Sistemas de Controle
Esse elemento do sistema de controle que realiza as correções sobre o processo recebe o nome de
CONTROLADOR e desempenha o papel de cérebro do sistema automático de controle.
Mas, para poder realizar o controle do processo, o sistema é 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 exigências de desempenho.
Introdução 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 é 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 função, etc. etc.
Introdução ao Sistemas de Controle
De modo que, segundo temos visto até aqui, um sistema de controle fica formado
essencialmente por: Um subsistema de medição.
Um subsistema de detecção de erro e controle.
Um subsistema de atuação com ação motora que aciona sobre o processo.
E, uma parte que é essencial, o processo mesmo a controlar.
Introdução ao Sistemas de Controle
Seguindo a frase do celebre filosofo chino Confúcio que diz: “Um esquema diz mais que milhões de palavras”, podemos representar um sistema de
controle, em sua concepção mais elementar, pelo o diagrama de bloque mostrado a seguir:
Fig. 1
CONTROLADORELEMENTO FINAL DE
CONTROLE
PROCESSO CONTROLADO
ELEMENTO DE MEDIÇÃO
Referencia ou valor desejado Saída do
sistemaErro
+
-
Introdução ao Sistemas de Controle
Os sistemas de controle jogam um role muito importante, tanto na engenharia avançada
como na ciência.
Eles têm especial importância no controle de sistemas de míssil teledirigidos, sistemas
robotizados, no controle de manufatura nos chamados sistemas automatizados de produção, no controle dos processos
industriais, etc.
Introdução ao Sistemas de Controle
São muito importante no controle numérico de máquinas ferramentas, no projeto de auto-
pilotos para avião, no projeto de carros e camiões.
Em processos industriais no controle de temperatura, fluxo, pressão, humidade,
viscosidade, etc. procurando um desempenho ótimo do processo quanto a consumo de materiais e energia o controle automático
joga um papel fundamental.
Breve resenha Histórica
O controle automático no mundo surge praticamente com os trabalhos do inventos
James Watt e seu famoso regulador centrifugo de Watt para controlar a
velocidade da máquina de vapor que ele inventara.
Outros trabalhos significante no desenvolvimento da teoria dos sistemas de
controle foram os trabalhos de Minorsky, Hazen e Nyquist, além de outros.
Breve resenha Histórica
Em 1922, Minorsky desenvolveu um sistema automático de controle para barcos e
demonstrou que a estabilidade de um sistema de controle pode-se analisar a traves do analise da solução da equação 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 excitação tipo senoidal de freqüência variável.
Breve resenha Histórica
Em 1934, Hazen introduziu por primeira vez o termino servomecanismo para definir os sistemas
de controle da posição mecânica, mediante os sistemas de controle a relé.
Durante a década dos anos 1940 o método da resposta de frequência, baseado nos chamados
diagramas de Bode, fez possível aos engenheiros em controle projetar sistemas de
controle lineares em malha fechada muito efetivos.
Breve resenha Histórica
A finais dos anos 1940 e primeiros anos dos 50, Evans introduziu seu chamado método do lugar
geométrico das raízes, o qual ficou então estabelecido até hoje.
Ambos métodos seguem-se usando hoje apoiado nas ferramentas da tecnologia digital é os
métodos computacionais de projeto usando MatLab e outros produtos de software.
Breve resenha Histórica
A finais dos anos 1950, devido a necessidade de desenvolver sistemas de
controle que permitiram controlar o processo da maneira mais eficiente e
económica possível, surgiram as técnicas de controle ótimo, em algum sentido.
Breve resenha Histórica
As plantas modernas, com muitas entradas e muitas saídas, fizeram que os
processos foram cada vez mais difíceis de controlar.
Surgiram assim os sistemas de controle multivariaveis, múltiplo entradas-múltiplo
saídas. O método clássico de controle baseado na
resposta de frequência e o root locus foram métodos efetivos para o projeto de
sistemas simples entrada-simples saída.
Breve resenha Histórica
Na década dos anos 1960, devido ao estabelecimento da computação digital foi possível desenvolver a chamada teoria
moderna do controle, baseada no conceito das variáveis de estado, o qual
fiz possível o analise e projeto do sistemas de controle no domínio do tempo.
Durante o anos 1960 até 1980 os sistemas de controle ótimo, estocástico e adaptativo
foram pesquisados fortemente.
Breve resenha Histórica
Na década dos 1980, surgiu o chamado controle robusto, (sistemas que mantem um desempenho estável independentemente das perturbações que podam afeitar ao sistema), o qual hoje se conhece como a verdadeira teoria
moderna do controle. A finais da década 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 aplicações industriais.
Breve resenha Histórica
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 aplicação em sistema não de engenharia.
Aplicações recentes neste sentido tem lugar em sistemas biológicos, biomédicos, econômicos e
até sociais.
Alguns conceitos e definições iniciais
Variável controlada: É a quantidade o condição que é medida para ser controlada
no sistema. É a variável de saída do sistema ou processo controlado.
Variável manipulada: É a quantidade o condição que deve ser variada pelo
controlador para poder exercer a ação corretora na variável controlada na saída. É a
a saída do elemento final de controle
Alguns conceitos e definições iniciais
Planta: Pode ser um equipe ou parte de ele onde tem lugar o processo que se deseja controlar. Ex:
pôde ser um motor elétrico com sua carga, um forno de aquecimento, um reator químico, um veiculo
espacial, um braço robótico, etc.
Processo: Dito com nossas próprias palavras, e a sequencia de operações continuas ou descontinuas que se sucedem numa planta baixo condições de operação e que deve ser controlado para lograr o
desempenho desejado.
Alguns conceitos e definições iniciais
Sistema: É a combinação de médios técnicos e componentes, convenientemente
selecionados e que atuam coordenadamente baixo os preceitos da engenheira do controle
e que permite a operação da planta de maneira estável e confiável.
Distúrbios: São os sinais que afeitam o
normal desempenho do sistema de controle, exercendo influencia indesejável sobre a
saída da planta.
Alguns conceitos e definições iniciais
Controle por realimentação: A realimentação negativa ou feedback (em inglês), ou seja a
comparação constante que tem que existir num sistema de controle entre os valores desejados da saída e o verdadeiro valor medido pelo sensor, é o
principio reitor do controle automático.
Então controle por realimentação refere-se a operação de controle no controlador que exerce a ação corretora do processo a partir do erro que
existe entre o valor desejado ou sinal de referencia e o valor da variável de saída medida. Na Fig. 1 mostra um sistema de controle realimentado.
Exemplos de sistemas de Controle
Controle de Velocidade: O principio básico do regulador de velocidade de Watt, o qual mantem-se até hoje, se amostra esquematicamente a
seguir:
Fig. 2
Exemplos de sistemas de Controle
Controle de um robô: Os robôs industrial são muito utilizados na indústria para aumentar e melhorar a produtividade. A seguir se mostra o
esquema de controle de um braço robotizado
Fig. 3. Robô 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 elétrico.
Fig. 4. Sistema de controle de temperatura num processo de aquecimento.
Exemplos de sistemas de ControleControle 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: Também conhecido como controle por feedback ou controle de realimentação: É todo sistema que mantem uma relação prescrita entre um valor de sinal, tomado como referencia e o valor do sinal da saída usando a diferencia ou erro como médio de controle.Estes sistemas ficam regidos na engenharia do controle pelo mesmo principio da realimentação negativa que rege na vida real.
Sistema de controle em malha aberta: É todo sistema de controle onde as ações de controle não são afeitadas pelo sinal da saída. São todos os sistemas de controle que trabalham baixo um programa predeterminado. Por ex. as máquinas lavadoras de roupa, as máquinas eu centrifugam os açúcares na indústria açucareira, 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) são capazes de compensar, até certo
ponto, os distúrbios. Sua resposta é insensível, até certo ponto, das não exatidão relativas
dos parâmetros do sistema. Podem legar a ser instáveis devido a realimentação, este é 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 não presentão instabilidade.
Om problema do analise e projeto dos sistemas de controle
Tanto o analise como o projeto de sistemas automáticos de controles implica conhecer ou ter uma descrição matemática ou modelo da planta
onde tem lugar o processo que se deseja controla automaticamente.
Esses modelos em geral ficam determinados por um conjunto de equações matemáticas as quais, geralmente descrebem os estados
transitórios no tempo, são equações diferenciais ou integro diferenciais, embora podem incluir equações algébricas e transcendentes, lineares y
não lineares.
A modelagem matemático de um sistema de controle é uma premissa básica no analise e projeto de sistemas de controle de processos.
No chamado sistema de controle clássico os métodos baseados na resposta de frequência oferecem muito bom resultados, assim como o método da localização das raízes para o analise e projeto n o domínio
temporal.
Om problema do analise e projeto dos sistemas de controle
Porém, quando ao analise e projeto de sistemas de controle mais sofisticados, como são os sistemas de controle ótimo, os sistemas de controle adaptativo, os sistemas de controle robustos, os sistemas de controle multivariaveis, incluído o moderno controle preditivo; a técnica de analise e projeto no domínio do tempo, baseado nas variáveis e equações de estado do processo, se impõem como ferramenta fundamental de projeto e analise. De modo que, a técnica 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 exatidão e precisão.
No método clássico, resposta de frequência e root-locus, predomina o chamado método de prova e ensaio (trial and error) o qual tem dado muito bom resultados no projeto de sistemas de controle de processo de só uma entrada e só uma saída. (Sistemas SISO)
Om problema do analise e projeto dos sistemas de controle
Porém, nos sistema de múltiplo entradas e múltiplo saídas (sistemas MIMO), sistemas multivariaveis, os quais tem que ser modelados mediante o analise matricial; o método de prova e ensaio, não oferece bom resultado.
Nestes casos, se precisa acudir, as técnicas analíticas de analise e projeto baseadas no conceito de estado, variáveis de estado e equações de estado e outros.
Para o caso mais geral, o caso não linear, modelo que descreve a planta ou processo é não lineal, neste casso se precisa acudir a técnicas específicas para cada caso particular. Nestes casos o método clássico de balance de harmônicos e o método do plano de fase oferece muito bom resultados no caso de sistemas SISO.
Em qualquer caso, independentemente do método empregado, o software MatLab é fundamental, tanto no analise como no projeto de sistemas de controle.
CONCLUSÕES
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. Apresentação conf1.
