Terminologia - Sistemas de Controle

• Exemplo de sistema de controle: Controle de nível de um Gerador de Vapor� Se o nível não for mantido em um determinado valor o GV pode não

funcionar pois não se pode descobrir os tubos em U nem manter o nível próximo dos separadores de umidade (gera vapor com água).

Por que controlar?• Para garantir a boa operação de equipamentos e

sistemas.• Do ponto de vista de controle, com a estratégia da

realimentação: “ Garantir que uma variável de um sistema físico ou processo (resposta) seja ajustada adequadamente por meio de um sinal de erro”.

Erro: Diferença entre a resposta do sistema (medida por um sensor) e o sinal de referência (resposta desejada)

Como controlar?

O Engenheiro de Controle deve projetar controladores que modificam o sinal de erro, segundo algum critério, de forma a garantir a resposta desejada

→→→→ Critérios de projeto:•••• Rejeição a distúrbios;•••• Erro em regime estacionário;•••• Características da resposta transitória;•••• Sensibilidade a mudança de parâmetros.

Como controlar?• Desenvolver modelos adequados para o sistema,

seus sensores e atuadores com o objetivo de:

�Conhecer a dinâmica do sistema (resposta temporal)

�Projetar o controlador segundo técnicas apropriadas

Aspectos

conceituaisSistema

Físico

Modelo

matemático do

sistema

Solução do modelo

matemático

Tradução

da solução

Formulação

do problema

Processo Iterativo

Terminologia do Controle•••• Sistema: combinação de componentes que agemem conjunto para atingir determinado objetivo

Sistemas dinâmicos físicos ou abstratos

Sistemas elétricos, mecânicos, térmicos,

hidráulicos, etc.

Essencialmente sistemas econômicos

Terminologia do Controle•••• Sistema em malha fechada: o sinal de excitação

(entrada) é determinado, em parte, por certaresposta (saída) do sistema, isto é, a variávelcontrolada é medida e seu valor é enviado para ocontrolador.

A entrada é função da saída

•••• Sistema em malha aberta: o sinal de saída nãoexerce nenhuma ação de controle no sistema(sistema complementar ao de malha fechada)

Terminologia do Controle•••• Distúrbio: sinal que tende a afetar de maneira adversa o valor da variável de saída de um sistema

Distúrbios internos e externos

•••• Sensor: dispositivo de detecção ou medição de variáveis do processo

•••• Variável controlada: grandeza a ser controlada, medida pelo sensor

Sinais adicionaisde entrada

Terminologia do Controle•••• Planta: qualquer equipamento, ou parte dele, a ser controlado

•••• Atuador: dispositivo de acionamento

Bombas, válvulas, motores, chaves...

•••• Variável manipulada: grandeza que é variada pelo atuador de modo a afetar a variável controlada

Terminologia do Controle•••• Controlador: dispositivo que, a partir do sinal de erro, determina o sinal de comando para o atuador de forma a manter a variável controlada no valor desejado

Sistema de controle em malha fechada

Classes de Sistemas de Controle

Regulador: o objetivo é manter uma variável de processo a um valor constante, mesmo na presença de distúrbios

Exemplos:•••• Controle de velocidade dos geradores de

corrente alternada nas centrais de energia elétrica

•••• Sistema biológico humano•••• Controle de temperatura em estufas

Classes de Sistemas de Controle

Seguidor: o objetivo é fazer com que uma variável de processo siga uma função do tempo pré-determinada

Exemplos:•••• Sistema automático de aterrissagem de aeronaves•••• AGV (Automatic Guided Vehicle)

Malha Aberta ou Fechada?

Malha Fechada:dirigir

desenhar

Malha Aberta:dirigir

desenhar

•••• Diversas atividades do cotidiano envolvem o serhumano como parte de um sistema de controleem malha fechada

De olhos vendados!!(não há correção)

Malha Aberta ou Fechada?•••• Exemplos de sistemas em malha aberta:

Sistema de controle de velocidade de rotação de uma furadeira manual: o operador exerce umapressão maior ou menor no gatilho – não háinfluência da saída capaz de alterar a entrada deforma a manter a velocidade de rotação constantena presença de distúrbios (carga)

A correção é feita pelo operador, que aumenta a pressão no gatilho quando percebe a diminuição da velocidade de rotação (se isto for possível).

Malha Aberta ou Fechada?•••• Exemplos de sistemas em malha aberta:

Sistema de controle das operações de uma máquina de lavar roupas: as operações de molho,lavagem e enxágüe são executadas em umaseqüência pré-determinada no tempo

A lavadora não mede o sinal de saída, ou seja, nãohá verificação da qualidade da lavagem das roupas

O controle em malha aberta só pode ser utilizado quando a relação entre os sinais de entrada e saída for conhecida

totalmente e não houver nenhum distúrbio

Malha Aberta ou Fechada?

Malha Aberta:•••• Baixo custo•••• Fácil construção•••• Alta sensibilidade a mudanças de parâmetros edistúrbios externos

Malha Fechada:•••• Custo relativamente elevado•••• Rejeição a distúrbios•••• Baixa sensibilidade a mudanças de parâmetros

A estabilidade assume papelmenos significativo

A estabilidade é um problema de suma importância (correções além do necessário causam

oscilações)

Exemplos de Sistemas de Controle•••• Sistema de controle de velocidade (Regulador Watt):

A quantidade de combustível injetada no motor é ajustada

em função da diferença entre as

velocidades desejada e atual do motor

Exemplos de Sistemas de Controle•••• Sistema de controle de velocidade (Regulador Watt):

Variável controlada:velocidade do motor

Sinal atuante:suprimento de combustível

Distúrbio externo:mudanças na carga

do motor

Exemplos de Sistemas de Controle•••• Sistema de controle temperatura de uma estufa:

+-

Entrada (V)

(valor de referência)

Ganho

Triac

Pulsos de controle

para o Triac (Tensão

modulada por largura

de pulso)

AquecedorControlador

PID

Tensão (V)

Interface para o

aquecedor

Estufa

Amplificador

Ponte de

Wheatstone

Resistência

elétrica ( )Sensor

Tensão (V)

Tensão alternada com

ângulo de disparo

controlado (0-240V,

60Hz)

Energia na forma de

calor

Tensão (mV)

Variável controlada: Temperatura da estufaVariável manipulada: Calor fornecido pelo aquecedor

• Sistema de controle de temperatura do compartimento de passageiros de um veículo

Temperatura

desejada

(entrada) Temperatura no

compartimento

de passageiro

(saída)

ControladorAquecedor ou

ar-condicionado

Compartimento

de passageiro

Sensor

Sensor do calor

da radiação solar

Sensor

Radiação

solar

Temperatura

ambiente

Instalado no ponto em quea sensação térmica é mais

relevante

Distúrbiosexternos

(medidos)

Exemplos de Sistemas de Controle

Outras características de Sistemas de Controle

- Controle Manual x Controle Automático

• Manual: controlador é o homem.

• Automático: equipamento de controle.

- Ação de Controle “ON-OFF” (Liga-desliga) X Ação de Controle Contínuo• “ON-OFF”: A saída do controlador possui dois

valores – 0 e 100%. • CONTÍNUO: a saída do controlador varia entre 0

e 100% .

• CONTROLE ANALÓGICO

• Implementado através de circuitos eletrônicos analógicos. A saída é definida em cada unidade de tempot ϵ R

• CONTROLE • DIGITAL• Implementado

através de programação de computadores digitais que recebem o erro de forma digital e executam cálculos a fim de fornecer uma saída em forma digital.

Vantagens do uso de computadores em relação aos sistemas analógicos:• Flexibilidade para mudanças no projeto

(sft x hdw)• Visualização do processo (apresentação

de erro, variáveis, saída do controlador ao operador),

• Imunidade a ruídos,• Redução de custos (depende de EVTE)