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Controle de Sistemas Introdução aos Sistemas de Controle

Renato Dourado Maia

Universidade Estadual de Montes Claros

Engenharia de Sistemas

Controle de Sistemas – Professor Renato Dourado Maia

Uma Pergunta

O que é controle?

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A Resposta

Vamos entender o que controle por meio da análise de uma coisa que todos nós fazemos (tomara!) em todos os dias (frios): tomar um

banho quente.

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Banho Quente

Como fazemos para que a água fique numa temperatura agradável?

Controlador?

Atuador?

Sensor? Censurado!!!

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Banho Quente O que se deseja é manter a temperatura da água

com o valor mais próximo possível de um valor desejado, que é normalmente denominado set-point.

Quando fazemos isso para o banho quente, esta-mos realizando um controle manual em malha fe-chada! Como seria um controle manual em malha aberta?

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Controle Manual em Malha Fechada

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Malha de Controle Fechada

ONDE ESTÁ O CONTROLE ?

ONDE ESTÁ O CONTROLADOR?

ONDE ESTÁ A MEDIÇÃO?

PROCESSO

COMPARAÇÃO

CORREÇÃO

CONTROLE

ENTRADA DE ÁGUA FRIA

SAIDA DE ÁGUA QUENTE

ENTRADA

DE VAPOR

VÁLVULA DE CONTROLE

MEDIÇÃO

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Controle Automático

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Ação de Controle Manual

TEMPO

DESVIO

0

+

-

VALOR OBTIDO

VALOR DESEJADO (SET-POINT)

ERRO

O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma amplitude de variação excessiva do valor

da variável que se deseja controlar.

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SET POINT

SET POINT

SET POINT

DESVIO VARIÁVEL

DESVIO

DESVIO

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Ação de Controle Automática

TEMPO

DESVIO

0

+

-

VALOR OBTIDO

VALOR DESEJADO (SET-POINT)

ERRO

O controle automático proporciona uma redução no erro, com um tempo de ação e uma precisão impossíveis de serem alcançados

pelo controle manual.

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Processo Um processo é um conjunto de operações e fun-

ções que dependem de variáveis e pode ser:

Contínuos: chuveiro de água quente.

Batelada: assar um bolo.

As variáveis, tais como temperatura, pressão, va-zão, nível, precisam de medição e controle. INSTRUMENTAÇÃO!!!

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Instrumentação A utilização de instrumentos permite:

Incrementar e controlar a qualidade do produto.

Aumentar a produção e o rendimento.

Obter e fornecer dados sobre:

Matéria prima. Produção. Economia dos processos.

Relação direta com AUTOMAÇÃO!

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Por Que Controle? As plantas industriais devem ser operadas em

circunstâncias específicas e conhecidas, de modo a garantir três requisitos básicos:

Segurança.

Continuidade Operacional: evitar eventuais paradas na produção.

Economia: as plantas industriais são voltadas para a ob-tenção de lucro.

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Por Que Controle? Segurança – Explosão em Caldeira

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Por Que Controle? O que acontece quando alguém dá descarga

quando estamos num banho quente?

A descarga representa uma perturbação...

Sistemas em malha fechada rejeitam perturba-ção, enquanto sistemas em malha aberta não...

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Sistema de Controle O que é um Sistema de Controle?

É uma interconexão de componentes, formando uma configuração que produzirá uma resposta desejada do sistema.

Entrada; estímulo

Resposta desejada

Sistema de controle

Saída; resposta

Resposta real

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Benefício Principal O principal benefício de um sistema de controle é

a compensação de perturbações.

Vamos entender a questão da perturbação por meio de exemplos...

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Outros Benefícios

A ENGENHARIA DE CONTROLE AUTOMAÇÃO PERMITE AO HOMEM TRABALHAR

COMO SER PENSANTE NO PROCESSO:

Evita esforços manuais e/ou repetitivos.

Permite que o operador assuma o papel de supervisor.

Afasta o homem de lugares e operações perigosas.

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Homem + Máquina Para implantar e perpetuar as melhores práticas,

devemos deixar que as máquinas façam aquilo que sabem fazer: realizar uma rotina repetitiva-mente.

O operador deve realizar aquilo que é especiali-dade do ser humano: intervenções sob demanda, análise e tomada de decisão.

= CONTROLE E AUTOMAÇÃO

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Homem x Máquina A Engenharia de Controle e Automação substitui

o homem apenas em atividades próprias da má-quina.

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Uma Malha/Operador

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Algumas Malhas/Operador

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Várias Malhas/Operador

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Salas de Controle

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Dezenas de Malhas/Operador

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Centenas de Malhas/Operador

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Panorama Atual

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Panorama Atual

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Centro de Comando

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O Engenheiro de Sistemas de Controle A Engenharia de Controle e Automação é um

campo excitante para a aplicação dos talentos de en-genharia, porque ela percorre inúmeras áreas de conhecimento, e inúmeras funções nessas á-reas.

O Engenheiro de Controle e Automação pode ser en-contrado no nível mais alto de grandes pro-jetos, envolvido na fase conceitual de determinar ou implementar os requisitos globais do sistema.

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Introdução aos Sistemas de Controle Sistema de controle a malha aberta (sem retroação):

Sistema de controle a malha fechada (com retroação):

Transdutor de Entrada

Entrada ou Referência

Junção Somadora

+ +

Processo ou Planta

+ +

Junção Somadora

Controlador

Perturbação 1 Perturbação 2

Saída ou

Variável Controlada

Transdutor de Entrada

Entrada ou Referência

Junção Somadora

+ +

Processo ou Planta

+ +

Junção Somadora

Perturbação 1 Perturbação 2

Saída ou

Variável Controlada

+

-

Controlador

Transdutor de Saída

ou Sensor

Erro ou Sinal Atuante

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Alguns Conceitos Variável controlada é a grandeza ou a condição

que é medida e controlada; variável manipulada é a grandeza ou condição modificada pelo contro-lador, de modo a afetar a variável controlada.

Uma planta pode ser parte de um equipamento ou apenas um conjunto de componentes de um equipamento que funcione de maneira integrada, com o objetivo de realizar determinada operação.

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Alguns Conceitos Um sistema é a combinação de componentes que

agem em conjunto para atingir determinado ob-jetivo (sistemas físicos, biológicos, econômicos).

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Analógico x Digital

Analógico

Digital

√ Potenciômetro

Entrada do ângulo de

azimute desejado

Saída de ângulo de azimute

Antena

Cabo

Saída de ângulo de azimute

Antena

Computador

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Detalhamento do Caso Analógico

Potenciômetro

Ângulo de azimute de

entrada desejado

Potenciômetro


entrada desejado

Antena

Antena

Potenciômetro Motor


saída

Ângulo

de azimute de saída

Amplificador diferencial e amplificador de potência

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Detalhamento do Caso Analógico Potenciômetro

Amplificadores

Potenciômetro

Potenciômetro

Potenciômetro

Motor

Resistência da armadura

Armadura

Campo constante

Engrenagem

Engrenagem

Engrenagem Inércia

Amortecimento viscoso

Amplificador diferencial

e de potência

K

Transdutor de entrada

Sensor (transdutor de saída)

Entrada angular

Tensão proporcional

à entrada

Junção de adição

Erro ou

Sinal atuante

Controlador

Planta ou

Processo Saída

angular

Tensão proporcional

à saída

Amplific. de sinal

e de potência

Motor, carga

e engre- nagens

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Uma Frase para Motivar... “A teoria, a prática e as aplicações de controle

automático constituem um ramo da engenharia muito amplo, excitante e extremamente útil”.

Alguém não percebe que a motivação para o es-tudo de sistemas de controle modernos é imen-sa?

Hã? Hã? Hã?

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Projeto de Sistemas de Controle Algumas palavras para lembrarmos:

Perturbação Custo-benefício

Segurança

Produtividade

Desempenho Robustez

Otimização

ESTUDO

DEDICAÇÃO

EQUIPE

TRABALHO

Etc... Etc... Etc... RESPEITO

EDUCAÇÃO

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Atuação do Engenheiro de Controle Pode-se constatar que a tarefa de um engenheiro

de controle é também prestar assistência de na-tureza iterativa, particularmente a partir de uma visão sistêmica de desempenho.

Um bom engenheiro de controle não é apenas a-quele capaz de realizar grandes projetos de com-trole, mas principalmente aquele capaz de indicar de forma direta e convincente quando os objeti-vos de desempenho não podem ser atingidos ou tornados mais rígidos.

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Atuação do Engenheiro de Controle Em problemas práticos, alguns aspectos devem

ser considerados:

Existência de incertezas. Plantas de fase não-mínima. Existência de dinâmicas não-modeladas, principalmente

em altas frequências, que são fontes de incertezas. Ruído nos sensores e restrições no nível do sinal dos a-

tuadores limitam o alcance dos benefícios da realimen-tação.

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Desenvolvimento da Teoria de Controle Controle Clássico:

1930-1960 Controle Moderno:

1960-1980 Controle Robusto: 1980-nossos dias

Análise

Diagramas de Bode. Critério de Nyquist.

Critério de Routh-Hurwitz. Lugar das Raízes.

Margens de Ganho e Fase.

Espaço de Estados. Controlabilidade. Observabilidade.

Processos Estocásticos.

SVD. Análise μ.

Fatorização Espectral. Inequações Matriciais.

Síntese Controladores PID. Compensação Lead-Lag.

Filtro de Kalman. PLQ.

PLQG.

Síntese H2/H∞. Síntese μ.

Paradigma Domínio da Frequência. SISO.

Domínio do Tempo. MIMO.

Domínio da Frequência + Espaço de Estados.

O Contexto de nossa brincadeira!!!

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