EEL660 Controle Linear 1 - del.ufrj.brheraldo/ECA609_Slides_01_SistemasDeControle.pdf · EEL660...

EEL660 – Controle Linear 1Prof. Heraldo L. S. Almeida

EEL660 – Controle Linear 1


Introdução aosSistemas de Controle

1


1.1. O que é Controle?

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1.3. Controle Manual x Automático

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF

1.6. Sistemas de Controle Modernos

1.7. Aplicações em Engenharia

1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 3


Tornado x Aeronave

Em ambos os fenômenos, grandes massas são transportadas

através do ar com uma energia gigantesca, seguindo as mesmas

leis da dinâmica dos fluidos e da termodinâmica !

Qual é a diferença fundamental entre eles?

1.1. O que é Controle ?



Tornado x Aeronave

Em ambos os fenômenos, grandes massas são transportadas

através do ar com uma energia gigantesca, seguindo as mesmas

leis da dinâmica dos fluidos e da termodinâmica !

Qual é a diferença fundamental entre eles? Controle !!!




Controlar um sistema físico é fazer com que uma

ou mais variáveis do sistema assumam um valor

desejado, ou sigam uma trajetória de referência.





Processo é o sistema físico que se deseja controlar.

Exemplos:O lançamento de um foguete ou míssil

Uma plataforma de petróleo em alto mar

Um processo industrial

Um fluido em uma tubulação

O voo de uma aeronave

A órbita de um satélite

O posicionamento de uma antena parabólica



Variável Controlada (ou Saída) é a variável do processo

físico que deverá ser forçada a um valor fixo ou a seguir uma

trajetória de referência.

Exemplos:A trajetória de um foguete ou míssil

A posição de uma plataforma de petróleo em alto mar

A temperatura em um processo industrial

A pressão de um fluido em uma tubulação

O ângulo de mergulho de uma aeronave

A altitude de um satélite

O alinhamento entre uma antena parabólica e um satélite




Variável Manipulada (ou Entrada) é a variável através da qual o

sistema de controle atua sobre a planta visando forçar a variável

controlada a seguir o sinal de referência.

Exemplos:A direção em que os gases são ejetados do foguete.

Pressão dos propulsores e ângulo do leme da plataforma

A pressão do vapor quente em um processo industrial

Ângulo de abertura da válvula de escape da tubulação

Os angulos de abertura dos flaps e ailerons da aeronave

A tensão na armadura do motor que gira a antenna.




Atuador é o dispositivo que recebe um sinal de controle (geralmente

uma tensão ou corrente elétrica) e atua fisicamente no processo,

modificando sua entrada (variável manipulada).

Exemplos:

Propulsores, lemes, ailerons, motores DC, válvulas, bombas, etc.




Controlador (ou Compensador) é o dispositivo que recebe o sinal

de referência a ser seguido e emite o sinal de controle para o

atuador, com o objetivo de forçar que a saída do processo siga o

sinal de referência recebido.

Obs: pode ser analógico (implementado com amplificadores operacionais) ou digital

(microprocessador + conversores A/D e D/A + algoritmo de controle):




Planta é o conjunto Atuador + Processo.

Obs: do ponto de vista do projeto do controlador, a dinâmica do atuador é

mesclada à dinamica do processo, formando 1 único sistema a ser

controlado, chamado de “planta”.




Realimentação é uma técnica que consiste em medir a variável de

saída através de um Sensor e reinjetar esta informação na entrada

do Controlador.

Um sistema de controle com realimentação é dito ser um sistema de

controle em malha fechada.




Sensor é um dispositivo que tem por objetivo medir uma grandeza

física do processo (pressão, temperatura, umidade, salinidade,

deslocamento, velocidade, aceleração, massa, ângulo, velocidade

angular, etc.), convertendo o valor medido em um sinal elétrico de

tensão ou de corrente.




Em um sistema de controle em malha fechada, o Controlador se

baseia no erro de rastreamento, ou seja na diferença entre o valor

desejado para a saída (referência) e o valor medido pelo Sensor

(supostamente o valor real, a menos das imperfeições e da dinâmica

do Sensor).




Perturbação (ou Distúrbio) é todo tipo de interferência externa

inevitável que afeta a variável que se deseja controlar.

Exemplos:Rajadas de vento e turbulência em um sistema de piloto automático de aeronave.

Alguém abrindo a tampa de um freezer cuja temperatura está sendo controlada.




Controle do Ângulo de Azimute de uma Antena Direcional




Manual




Automático




Malha Aberta(sem realimentação)

X

Malha Fechada(com realimentação)




Máquina

de Lavar

Programação Fixa

(Entrada)

Roupas Lavadas

(Saída)

Exemplo de Controle em Malha Aberta: MÁQUINA DE LAVAR

Uma máquina de lavar roupas segue uma programação fixa

pré-configurada.

Não há nenhum sensor medindo o quão limpas estão as roupas.




Vantagens do Controle em Malha Aberta:

Simples construção e fácil manutenção, visto que não há sensores e todos os sinais

de controle seguem uma temporização fixa pré-configurada.

Não há problemas com estabilidade, exceto quando o processo já é naturalmente

instavel (exemplo: fissão nuclear).

É uma solução conveniente quando é difícil (ou muito caro) se construir um sensor

(exemplo: um sensor que verifique e indique que todas as roupas estão limpas seria

bem difícil de ser construido).

Desvantagens:

Alta sensibilidade a perturbações: pequenas perturbação no processo podem

ocasionar valores diferentes dos desejados na saída do processo.

Alta sensibilidade a variação paramétrica: pequenas variações nos parâmetros do

processo, atuadores ou sensors também podem ocasionar valores diferentes dos

desejados na saída do processo necessidade de calibração frequente




Malha Aberta X Malha Fechada




X




Operar em Malha Aberta é como

dirigir de olhos vendados !




Sistema de Controle de Velocidade de Cruzeiro em Automóvel




Ao medir a velocidade do veículo em uma estrada plana a 65 km/h, verificamos

que:

• um aumento de 1 grauno ângulo do acelerador (nosso sinal de controle)

provoca um aumento de 10 km/h na velocidade.

• quando a inclinação da pista aumenta em 1%, medimos uma diminuição de 5

km/h na velocidade.

Sistema de Controle de Velocidade de Cruzeiro em Automóvel




Vantagens da malha fechada:• maior precisão;

• rejeição do efeito de perturbações externas;

• melhora do desempenho dinâmica do sistema

(resposta mais rápida, amortecimento de oscilações, etc.)

• menor sensibilidade a variações paramétricas no processo, nos

sensores e nos atuadores (sistema mais robusto).

Desvantagens:• maior custo

• manutenção mais complexa (mais componentes para dar problema)

• risco de instabilidade





Regulador Flutuante para Controle

de Nível/Vazão (Grécia Antiga)




Chocadeira de Ovos (C. Drebbel, 1620)




Regulador Centrífugo FlyBall (J. Watt, 1769)



Pontaria Automática de Canhão Antiaéreo(década de 1940 – segunda guerra mundial)





Características dos sistemas de controle modernos:

Controlador implementado com eletrônicaInicialmente analógico (válvulas, transistores, amplif. operacionais)

Atualmente digital (microprocessador rodando algoritmo de controle)

Múltiplas Malhas de RealimentaçãoMúltiplas variáveis para controlar (portanto múltiplos sensores) e/ou

multiplas variáveis de entrada para atuar (múltiplos atuadores).

Controle MultivariávelMúltiplas entradas (múltiplos sensores) e/ou multiplas saídas (múltiplos




Controle Digital




Controle Digital – Exemplo




Controle com Múltiplas Malhas de Realimentação




Controle Multivariável




Controle Multivariável – Exemplo



Roll

Yaw

Pitch


Controle Multivariável

(múltiplos atuadores)


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Aptch.gif

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Ayaw.gif

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/Aileron_roll.gif



Técnicas de Controle Avançadas:

Controle Ótimo

Parâmetros do controlador otimizados para diversos objetivos (mínimo consumo

de energia, otimizar algum índice de desempenho dinâmico, etc.)

Controle Adaptativo

Os parâmetros de controle são ajustados continuamente em função do

comportamento da planta a cada momento, possibiltando operar com plantas que

têm dinâmica não-linear, variante no tempo e/ou incerta (probabilística)

Controle Robusto

Parâmetros do controlador ajustados para funcionar bem em uma ampla faixa de

variação dos parâmetros do processo, possibiltando operar com plantas que têm

dinâmica não-linear, variante no tempo e/ou incerta (probabilística).




Um veículo de passeio moderno

pode ter dezenas de sistemas

de controle embarcados

Ignição Eletrônica

Injeção Eletrônica de Combustível

Freios ABS

Suspensão Ativa

Controle de Velocidade de Cruzeiro

Controle de tração 4x4

Airbags

Ajuste eletrônico dos assentos

Ajuste eletrônico dos espelhos

Ajuste eletrônico dos faróis

Cinto de Segurança Automático

Controle de temperature

GPS … e muitos outros !!!




Toyota Hybrid Systems










1.8. Aplicações em Outras Áreas




Macroeconomia

Controle do crescimento do PIB

Controle Inflação x Recessão




Macroeconomia

Análise do processo inflacionário




Sistemas Financeiros

Mercados e Câmbio

Cadeias de Serviços e Suprimentos





Sistemas Ambientais

Ecossistemas microbianos

Ciclo global do carbono



Sistemas Biológicos

Regulação Fisiológica (homeostase)

Redes de Regulação Biomolecular



EEL660 Controle Linear 1 - del.ufrj.brheraldo/ECA609_Slides_01_SistemasDeControle.pdf · EEL660...

Documents

Transcript of EEL660 Controle Linear 1 - del.ufrj.brheraldo/ECA609_Slides_01_SistemasDeControle.pdf · EEL660...