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

Introdução aosSistemas de Controle1

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 13

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 14

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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 ?

1. Introdução aos Sistemas de Controle 15

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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 !!!

1.1. O que é Controle ?

1. Introdução aos Sistemas de Controle 16

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Controlar um sistema físico é fazer com que uma ou mais variáveis do sistema assumam um valor desejado, ou sigam uma trajetória de referência.

1.1. O que é Controle ?

1. Introdução aos Sistemas de Controle 17

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 18

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1.2. Composição de um Sistema de ControleProcesso é o sistema físico que se deseja controlar.Exemplos:

O lançamento de um foguete ou míssilUma plataforma de petróleo em alto marUm processo industrialUm fluido em uma tubulaçãoO voo de uma aeronaveA órbita de um satéliteO posicionamento de uma antena parabólica

1. Introdução aos Sistemas de Controle 19

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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 míssilA posição de uma plataforma de petróleo em alto marA temperatura em um processo industrialA pressão de um fluido em uma tubulaçãoO ângulo de mergulho de uma aeronaveA altitude de um satéliteO alinhamento entre uma antena parabólica e um satélite

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 20

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Variável Manipulada (ou Entrada) é a variável através da qual o sistema de controle atua sobre a planta visando forçar a variávelcontrolada 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 plataformaA pressão do vapor quente em um processo industrialÂngulo de abertura da válvula de escape da tubulaçãoOs angulos de abertura dos flaps e ailerons da aeronaveA tensão na armadura do motor que gira a antenna.

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 21

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Atuador é o dispositivo que recebe um sinal de controle (geralmenteuma tensão ou corrente elétrica) e atua fisicamente no processo, modificando sua entrada (variável manipulada).Exemplos:

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

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 22

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Controlador (ou Compensador) é o dispositivo que recebe o sinalde 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):

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 23

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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 sercontrolado, chamado de “planta”.

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 24

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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.

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 25

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Sensor é um dispositivo que tem por objetivo medir uma grandezafísica do processo (pressão, temperatura, umidade, salinidade, deslocamento, velocidade, aceleração, massa, ângulo, velocidadeangular, etc.), convertendo o valor medido em um sinal elétrico de tensão ou de corrente.

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 26

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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 dinâmicado Sensor).

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 27

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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.

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 28

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 29

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 30

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 31

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 32

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 33

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 34

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Controle do Ângulo de Azimute de uma Antena Direcional

1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 35

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 36

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1.2. Composição de um Sistema de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 37

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 38

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1.3. Controle Manual x Automático

1. Introdução aos Sistemas de Controle 39

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

Manual

1.3. Controle Manual x Automático

1. Introdução aos Sistemas de Controle 40

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Automático

1.3. Controle Manual x Automático

1. Introdução aos Sistemas de Controle 41

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1.3. Controle Manual x Automático

1. Introdução aos Sistemas de Controle 42

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 43

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Malha Aberta(sem realimentação)

XMalha Fechada(com realimentação)

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 44

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Máquinade Lavar

Programação Fixa(Entrada)

Roupas Lavadas(Saída)

Exemplo de Controle em Malha Aberta: MÁQUINA DE LAVARUma máquina de lavar roupas segue uma programação fixapré-configurada.Não há nenhum sensor medindo o quão limpas estão as roupas.

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 45

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Vantagens do Controle em Malha Aberta:Simples construção e fácil manutenção, visto que não há sensores e todos os sinaisde controle seguem uma temporização fixa pré-configurada.Não há problemas com estabilidade, exceto quando o processo já é naturalmenteinstavel (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 seriabem difícil de ser construido).

Desvantagens:Alta sensibilidade a perturbações: pequenas perturbação no processo podemocasionar 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

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 46

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Malha Aberta X Malha Fechada

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 47

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 48

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 49

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Operar em Malha Aberta é comodirigir de olhos vendados !

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 50

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Sistema de Controle de Velocidade de Cruzeiro em Automóvel

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 51

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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 Automóvel1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 52

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 53

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 54

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 55

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 56

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 57

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 58

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1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 59

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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

1.4. Os Efeitos da Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 60

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 61

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1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF Regulador Flutuante para Controle

de Nível/Vazão (Grécia Antiga)

1. Introdução aos Sistemas de Controle 62

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1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF Chocadeira de Ovos (C. Drebbel, 1620)

1. Introdução aos Sistemas de Controle 63

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1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF Regulador Centrífugo FlyBall (J. Watt, 1769)

1. Introdução aos Sistemas de Controle 64

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

1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF

1. Introdução aos Sistemas de Controle 65

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 66

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1.6. Sistemas de Controle Modernos 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/oumultiplas variáveis de entrada para atuar (múltiplos atuadores).

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

1. Introdução aos Sistemas de Controle 67

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle Digital

1. Introdução aos Sistemas de Controle 68

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle Digital – Exemplo

1. Introdução aos Sistemas de Controle 69

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle com Múltiplas Malhas de Realimentação

1. Introdução aos Sistemas de Controle 70

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle Multivariável

1. Introdução aos Sistemas de Controle 71

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle Multivariável – Exemplo

1. Introdução aos Sistemas de Controle 72

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle Multivariável – Exemplo

1. Introdução aos Sistemas de Controle 73

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1.6. Sistemas de Controle Modernos

1. Introdução aos Sistemas de Controle 74

Controle Multivariável – Exemplo

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Roll

Yaw

Pitch

1.6. Sistemas de Controle Modernos Controle Multivariável(múltiplos atuadores)

1. Introdução aos Sistemas de Controle 75

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1.6. Sistemas de Controle Modernos Técnicas de Controle Avançadas:

Controle ÓtimoParâmetros do controlador otimizados para diversos objetivos (mínimo consumode energia, otimizar algum índice de desempenho dinâmico, etc.)

Controle AdaptativoOs 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 RobustoParâmetros do controlador ajustados para funcionar bem em uma ampla faixa de variação dos parâmetros do processo, possibiltando operar com plantas que têmdinâmica não-linear, variante no tempo e/ou incerta (probabilística).

1. Introdução aos Sistemas de Controle 76

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 77

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1.7. Aplicações em Engenharia

1. Introdução aos Sistemas de Controle 78

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1.7. Aplicações em Engenharia

1. Introdução aos Sistemas de Controle 79

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1.7. Aplicações em EngenhariaUm veículo de passeio modernopode ter dezenas de sistemasde controle embarcados

Ignição EletrônicaInjeção Eletrônica de CombustívelFreios ABSSuspensão AtivaControle de Velocidade de CruzeiroControle de tração 4x4Airbags

Ajuste eletrônico dos assentosAjuste eletrônico dos espelhosAjuste eletrônico dos faróisCinto de Segurança AutomáticoControle de temperatureGPS … e muitos outros !!!

1. Introdução aos Sistemas de Controle 80

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1.7. Aplicações em EngenhariaToyota Hybrid Systems

1. Introdução aos Sistemas de Controle 81

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1.7. Aplicações em Engenharia

1. Introdução aos Sistemas de Controle 82

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1.1. O que é Controle?1.2. Composição de um Sistema de Controle1.3. Controle Manual x Automático1.4. Os Efeitos da Realimentação1.5. Os Primeiros Sistemas de Controle em MF1.6. Sistemas de Controle Modernos1.7. Aplicações em Engenharia1.8. Aplicações em Outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle

1. Introdução aos Sistemas de Controle 83

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MacroeconomiaControle do crescimento do PIBControle Inflação x Recessão

1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle 84

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MacroeconomiaAnálise do processo inflacionário

1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle 85

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Sistemas FinanceirosMercados e CâmbioCadeias de Serviços e Suprimentos

1. Introdução aos Sistemas de Controle 86

1.8. Aplicações em outras Áreas

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1. Introdução aos Sistemas de Controle 87

Sistemas AmbientaisEcossistemas microbianosCiclo global do carbono

1.8. Aplicações em outras Áreas

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Sistemas BiológicosRegulação Fisiológica (homeostase)Redes de Regulação Biomolecular

1. Introdução aos Sistemas de Controle 88

1.8. Aplicações em outras Áreas

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1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle 89

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1.8. Aplicações em outras Áreas

1. Introdução aos Sistemas de Controle 90

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1. Introdução aos Sistemas de Controle 91

1.8. Aplicações em outras Áreas