AUTOMAÇÃO: DAS TEORIAS A UMA REALIZAÇÃO PIONEIRA€¦ · 3 2.Visão acadêmica Orientada para...
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AUTOMAÇÃO: DAS TEORIAS A
UMA REALIZAÇÃO PIONEIRA
1 A pirâmide da automação
2 A visão acadêmica
3 Sistemas e controles, dinâmicos
4 Sistemas e controles, de eventos
5 Informática e segurança
6 A ultracentrífuga de urânio COPESP
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Nível 1: sensores e atuadores
Nível 2: controle
CLP, PC, CNC, SDCD
Nível 3: supervisão
PC, Interface Homem-Máquina
Nível 4:
gerenciamento
de planta
corporativo
Nível 5:
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2.Visão acadêmica
Orientada para ter eficiência na formação da competência de alunos e de pesquisadores.
Áreas de conhecimento em automação: Controle de sistemas “time-driven”
Controle de sistemas “event-driven”
Informática de tempo real
Heurísticas (IA, lógica fuzzy, redes neurais...)
“time-driven”=dinâmica convencional,eqs diferenciais; sinais são f(t) ou f(kT) de valor real
“event-driven”=sistemas de evolução lógica, com memória; eventos são alterações instantâneas e sinais assumem amplitudes ...-2, -1, 0, 1, 2,...
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3. Modelos de sistemas time-driven
Princípio:
Descrição por eq diferencial para y(t) –>
Transformada de Laplace –> Eq algébrica ->
Solução Y(s) -> Antitransformada de Laplace ->
y(t)
Função de transferência
Diagrama de blocos
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Escopos de projeto C/R E/R M/R C/P M/P
3.Controle dinâmico: feedback e feedforward
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3.Controles de posição e de processo
Posição, velocidade...
Constantes de tempo
décimos de seg a min
Objetivo tracking
Ressonâncias
Não-linearidades
abruptas
Multivariáveis não
desacopláveis
Processos térmicos,
químicos...
Constantes de tempo min
a muitas horas
Objetivo regulação
Raras ressonâncias
Não-linearidades suaves
Multivariáveis
desacopláveis
Atrasos puros
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3.Teoria de controle dinâmico: evolução
A arte do feedback: no séc XIX, regulador de
Watt e Revolução Industrial; no XX, eletrônica
Nycquist 1932 : Critério de Estabilidade que
estabelece a engenharia de controle
Wiener 1940: controle ótimo
Kalman 1960...controle linear-quadrático-
gaussiano, multivariável
Liapunov ...controle não-linear
As teorias privilegiam o controle de posição ...
2 2
( ) ( )min min ( ( ) . ( ) )u t u t
J e t u t dt
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4.Sistemas de eventos discretos
SEDs
Sistemas man-made
Origem na Eletrotécnica, 1910
Sistema de aquecimento de líquido por vapor:
Contactor B liga bomba, se pressão vapor P=1, se start=1 e se nível h=1, e se emergência E=0.
Contactor C liga válvula vapor, se B=1 e se vazão fria V=1, e se E=0
Contactor E liga, se há falta de segurança e desliga tudo...
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Sistemas SEDs atuais: manufaturas, startups e proteções de
processos, veículos, automação, SOFTWARES.
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4.Modelos de sistemas event-driven
Descrição verbal lógica+álgebra de Boole 1800+ diagramas de Venn, tabelas da verdade, diagramas temporais ca1940
Redes de Petri 1960: gráfico+def por meio de conjuntos; gera condições algébricas suficientes mas não necessárias para desempenho; análise e simulação OK
Autômatos finitos: gráfico+def por conjuntos; liga-se bem sistemas de filas / processos de Markov; análise e simulação OK
Linguagens formais, das ciências da computação 1980: excessivamente abstratas para a engenharia.
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4.Redes de Petri
Rede de Petri = quíntupla (P, T, A, W, m0)
Posições,Transições,Arcos,Pesos,Tokens iniciais. Tokens são peças, máquinas etc
Redes modelam plantas, ou plantas com automatizações.
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Projeto apoiado em redes de Petri
A) montar a rede de Petri do comportamento externo do processo (planta)
B) acrescentar a rede que faz acontecer a automatização
C) simular com software livre
D) se OK, identificar a rede (B) final
E) converter (C) em programa ladder para CLP, com a facilidade de que cada transição se transforma em um rung ou linha de código na linguagem ladder !
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Exemplo. Mesa de soldagem robotizada
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Rede de Petri da mesa, automatizada
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4.Principal problema em SEDs:
Deadlock, Conflito Mortal
Duas linhas de produção A e B partilham duas máquinas/ recursos R1 e R2; cada linha precisa dos dois recursos juntos, na transição entre fases.
Inicialmente, a linha A toma o recurso R1 e a linha B toma o recurso R2.
Linha A não pode iniciar segunda operação porque R2 está com B.
Linha B não pode iniciar segunda operação porque R1 está com A.
Deadlock em eventos versus Instabilidade em dinâmica !
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4.Recursos compartilhados propiciam deadlocks
Interrupts
Air traffic control system
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4.Teoria de controle de SEDs: evolução
Criado o computador, projetar controle de eventos tornou-se = programar.
1960... projeto por intuição e experimento.
Wonham 1990: conceitua síntese de controle por meio de linguagens formais; muito abstrata
Hoje: redes Petri e autômatos ajudam mas nào há método prático de síntese .
Responsabilidade maior: verificação.
Testar automação = testar software
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Prática do laboratório Rockwell-EPUSP
Clientes fornecem Receita Operacional, verificada.
Lab fornece software em CLP e assistência start-up.
Verificação no lab por simulação:
PCPC
PCPC
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5.Informática de tempo real
[Laplante 2004: real-time systems]
Teste exaustivo/ caixa preta: apresentar a cada unidade
de código todas as possíveis combinações de entrada.
Explosão combinatória: cinco sinais inteiros, de 16 bits,
geram casos!
Testando um a cada micro-seg, seriam necessários
16 5 80 77(2 ) 2 10
77 66010 .10
103600 24 365
casos seganos anos
x x
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Teste exaustivo/ caixa branca: percorrer todos os caminhos
independentes, no grafo de fluxo do programa, pelo menos uma vez
Explosão dimensional: por exemplo, um programa de 100 linhas,
com 1 loop que é repetível até 20 vezes, gera caminhos. A
1 mili-seg / caminho, resultam ~1000 anos !
[Pressman]
Vide PCs.
1410
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Em resumo, projeto e teste de sistemas de tempo real não se beneficiam
de teoria geral; portanto são ainda uma arte.
Para os problemas previstos pelo projetista: watchdogs, diagnósticos de
erro, corretores fail-safe...
Perigo nos detalhes: a experiência mostra que erros lógicos e hipóteses
incorretas tendem a se infiltrar quando projetamos funções ou controles
fora da função principal...
Arte gerencial, know-how das empresas: decomposição de programas e
emprego de templates, delegação, verificação por partes, disciplina,
documentação...
O mito do homem-mês...
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6. A ultracentrífuga
Ultracentrífuga para enriquecimento isotópico de urânio
MARINHA DO BRASIL - COPESP –USP, 1980-90-...
Alvo necessário: 1.000hZ = 60.000RPM !
Suspensão: por mancais magnéticos ativos, que são
instáveis e não-lineares.
História:
-o origem do desafio
-as etapas
-os problemas, técnicos e gerenciais.
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Esquema indicativo de componentes
g
g g e
d
d
a
aa
a
b
g
b
h h
a=atuador radial
b=sensor posição
d=atuador axial
e=sensor axial
g=mancais de esbarro
h=motor
Desenho sem escala
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Principais ressonâncias mecânicas do cilindro
a1
a2
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4.Exemplo. Rede de Petri Modelando Canais
Redundantes
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Testar um programa ou subprograma é executá-
lo com entradas conhecidas e saídas
observadas e previsíveis, para o fim de
encontrar falhas ou desvios dos requisitos.
Qualquer uma das tecnicas conhecidas podem
ser insuficientes ou não factíveis, para
programas de tempo real.
Ameniza muito particionar em subprogramas,
testar cada um e depois substituí-lo por um bit.