Trabalho 1 - Ivan Renner Gama

5/23/2018 Trabalho 1 - Ivan Renner Gama

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FACULDADE DE ECONOMIA E FINANAS IBMEC

Sistemas de Controle

Introduo terica e aplicaes

Ivan Renner Gama

13 de maro de 2014


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SUMRIO

INTRODUO ............................................................................................................ 3

1 SISTEMAS DE CONTROLE .................................................................................... 3

1.1 Sistemas Monovariveis vs. Multivariveis ........................................................ 5

1.2 Estveis vs. Instveis ......................................................................................... 7

1.2.1 Sistema estvel............................................................................................ 7

1.2.2 Sistema instvel........................................................................................... 7

2 EXEMPLO DE SISTEMA DE CONTROLE COM APLICAO ELTRICA ............. 8

2.1 Variao em malha aberta ................................................................................. 8

2.2 Variao em malha fechada .............................................................................. 9

3 EXEMPLO DE SISTEMA DE CONTROLE COM APLICAO INDUSTRIAL........ 10

REFERNCIAS ......................................................................................................... 10


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INTRODUO

Esta pesquisa foi motivada para que fossem mostrados aplicaes reais da disciplina

Teoria de Controle. Para isso, foi solicitado que esta pesquisa contivesse exemplos de

diferentes sistemas com suas classificaes e descries. Para organizar de maneira

didtica, este trabalho apresenta inicialmente os conceitos que serviro de base para a

compreenso do contedo-ncleo. Sero apresentados os bsicos componentes de um

sistema de controle, a forma que cada um atua, a forma que so representados (diagramas

de blocos) e exemplos de casos reais para cada conseito. Aps este esclarecimento inicial,

sero apresentados os exemplos de sistemas, com suas caractersticas e diagramas. Foram

escolhidos dois exemplos. O primeiro o sistema de controle de velocidade de mesa

rotativa, largamente utilizado em aparelhos leitores de discos. O segundo o sistema de

controle de um brao mecnico industrial, muito comum em linhas de produo de indstrias

high-tech.

1 SISTEMAS DE CONTROLE

Primeiramente, deve-se explicar o que um sistema. Sistema um conjunto de

elementos que se conectam e formam um agregado. Como exemplo, tem-se o corpo

humano, cujo funcionamento se d, entre outras razes, pelos seus sistemas orgnicos:

conjuntos de rgos que trabalham de maneira organizada e que esto interligados

fisicamente. A atividade de um sistema gera algum resultado. Veremos adiante como esse

resultado utilizado para controla-lo.

O controle de um sistema um mecanismo (seja mecnico, eltrico, computacional

etc.) que interfere a fim de que o resultado obtido daquele sistema se aproxime de um

parmetro arbitrariamente definido. Quando inserimos um dispositivo de controle em umsistema a ser controlado, temos um sistema de controle.

O sistema de controle pode ser de malha aberta ou malha fechada. Em malha

aberta, a resposta obtida na leitura do sistema no interfere no mesmo. Serve apenas para

captao de dados. Em malha fechada, a resposta obtida na leitura do sistema influencia na

entrada do set point (ponto desejado, seja de temperatura, presso, nvel, velocidade etc.).

Um sistema genrico em malha fechada composto por:

1. Um sensor para detectar a varivel do processo (PV ouprocess variable);


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2. Um transmissor para que a medida do sensor possa ser lida adequadamente. Por

exemplo, transmissor de sinais eltricos para sistemas eletrnicos ou ar pressurizado

para sistemas pneumticos.

3. Um controlador para comparar a leitura da varivel do processo com o set point eenviar um sinal de correo aceitvel.

4. Um elemento final de controle para fazer as devidas alteraes na varivel

manipulada (MV ou manipulated variable). Por exemplo, o elemento final de controle

pode ser uma vlvula que regula o fluxo de algum material fluido.

Abaixo, temos o exemplo de um sistema de controle em malha fechada. Perceba que,

neste sistema, a posio da boia afeta a bomba de gua. Ou seja, especifica-se um nvel

desejado de gua no reservatrio e o fluxo de entrada de gua regulado pela boia. Quanto

mais baixa ela est, maior o fluxo de gua entrando no reservatrio. De maneira anloga,

menor o fluxo de entrada de gua quando mais alta for a posio da boia.

Expandindo o conceito de sistema de controle e seus componentes citados acima,

podemos ter um passo a passo genrico, aplicvel qualquer sistema de controle

automtico.

1. O operador apresenta a varivel que quer controlar (temperatura, presso, nvel de

preenchimento, velocidade etc.) e determina um valor ideal para aquela varivel

(seja em graus celsius, pascals, litros, kilmetro por hora etc). Set point (SP) o

nome dado para essa combinao de dados: a varivel e seu estado ideal.

2. O sistema compara a varivel do preocesso (PV ou process variable). com o

desejado e encontra a diferena entre eles. Esta diferena ir gerar um sinal de

correo.

3. O sinal de correo enviado ao sistema de maneira inversa diferena

encontrada. Por exemplo, se o set point fosse uma temperatura de 23C e o valoratual fosse uma temperatura de 26C, a diferena seria de 3C. Portanto o sistema

enviaria um sinal de correo para reduzir a temperatura em 3C.


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No caso de um controle manual, tem-se sistemas de controle em malha aberta, visto

que necessria a interveno humana para fazer a devida correo no processo. Assim, o

operador tem o papel de ler o resultado da medio, comparar com o nvel ideal e interferir

fisicamente no processo com a inteno de tornar a varivel desejada mais prxima do nvelideal.

1.1 Sistemas Monovariveis vs. Multivariveis

Antes de apresentar a classificao de sistemas monovariveis e multivariveis,

pertinente apresentar trs diferentes variveis que podem atuar em um sistema: controlada,reguladora e perturbadora.

A varivel controlada a varivel do processo (PV). Pode ser o nvel de gua em um

tanque ou a temperatura de determinada mquina, por exemplo.

A varivel reguladora e ajustada pelo sistema para que se obtenha a varivel

controlada o mais prximo possvel do set point. Pode ser a vlvula de entrada de gua em

um tanque ou a corrente que passa pelos resistores de determinada mquina, por exemplo.

A varivel perturbadora no controlada pelo sistema, mas exerce influncia sobre a

varivel controlada. Pode ser a chuva que cai sobre o tanque de gua (ou mesmo o fluxo de

sada de gua) ou a mudana de temperatura no ambiente, que afetaria diretamente uma

mquina em operao, por exemplo.

Utilizamos o esquema a seguir para diferenciar as variveis:

Agora que j foram apresentadas as diferentes categorias de variveis que

influenciam em um processo, vamos tratar da sua classificao como monovarivel e

multivarivel. Sistemas so monovariveis quando cada varivel controlada influenciada

por apenas uma varivel reguladora. Sistemas so multivariveis quando uma varivel

reguladora influencia mais de uma varivel controlada.


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Por exemplo, vejamos o sistema de controle do nvel de gua em um tanque. Se

supormos que seja um sistema simples, com uma entrada regulvel de gua e uma sada

no regulvel de gua, teremos o seguinte esquema:

Seja E o fluxo de entrada de gua, regulvel atravs de uma vlvula de controle; S o

fluxo de sada de gua; e N o nvel da gua no tanque. Teremos a seguinte classificao

das variveis:

N Varivel controlada. O objetivo do sistema manter o NVEL da gua dentro da

especificao do set point.

E Varivel reguladora. O sistema se utiliza desta varivel para ajustar, regular o

comportamento da varivel controlada.

S Varivel perturbadora. O sistema no possui controle sobre esta varivel e, mesmo

assim, ela exerce influncia sobre a varivel conrolada.

Como o sistema descrito acima tem apenas uma varivel reguladora afetando a

varivel controlada, sua classificao de sistema monovarivel.

Na representao tcnica de sistemas de controle (os diagramas de blocos), temos a

orientao das setas como evidncia da atuao de cada varivel, isto , se a varivel

reguladora, perturbadora ou controlada.

E

SN


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1.2 Estveis vs. Instveis

Um processo estvel quando as variveis de sada se ajustam em funo das

variveis de entrada e, desta maneira, atingem o equilbrio. Um processo instvel quando

as variveis de sada no conseguem se ajustar adequadamente em funo das variveis

de entrada, impedindo que o equilbrio seja alcanado.

Vejamos a aplicao deste conceito no exemplo anterior em duas maneiras diferentes.

1.2.1 Sistema estvel

Supomos que a vlvula reguladora do fluxo de entrada de gua seja perfeitamente

ajustvel de acordo com a sada de gua. Caso haja uma alterao no fluxo de sada, o

fluxo de entrada se ajustar at ser igual quele. Desta maneira, o equilbrio atingido, pois

o nivel de gua no tanque poder ser mantido constante.

1.2.2 Sistema instvel

Supomos que a vlvula reguladora do fluxo de entrada de gua seja ajustvel em um

pequeno espectro, isto , permita uma pequena variao no fluxo de entrada de gua. Caso

haja uma variao grande no fluxo de sada, o fluxo de entrada no ter a capacidade de

atingir o mesmo fluxo de gua que sai do tanque. Desta maneira, o equilbrio no ser

atingido, pois o nvel de gua permanecer diminuindo ou aumentando at que o fluxo desada se modifique e retorne faixa de ajuste do fluxo de entrada.

E

SN


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2 EXEMPLO DE SISTEMA DE CONTROLE COM APLICAO ELTRICA

Tomemos como exemplo de sistema de controle eltrico o caso do controle de

velocidade da mesa rotativa. Este sistema tem como finalidade manter a rotao da mesa

constatne e dentro da faixa programada de velocidade, evitando o desgaste do motor e

falhas de funcionamento do equipamento. A mesa rotativa aplicada no funcionamento de

leitores de discos (CDs, DVDs, Blu-Rays etc), bem como de dscos rgidos (HDDs), coolers

e outros equipamentos. Sero apresentados dois casos, um de malha aberta e outro de

malha fechada. O componente atuante, que promove a rotao, um motor de corrente

contnua (CC). Ele foi escolhido por gerar uma velocidade proporcional tenso eltrica que

lhe aplcada.

2.1 Variao em malha aberta

A bateria fornece uma tenso proporcional velocidade desejada. A tenso ento

amplificada no amplificador e transmitida ao motor de corrente contnua. Este sistema

monovarivel, pois a varivel reguladora (tenso da bateria) afeta apenas uma, e nica

neste caso, varivel controlada (rotao da mesa). Alm disso, o sistema estvel, pois a

varivel de sada (velocidade da mesa) consequncia apenas da varivel de entrada

(tenso da bateria). Desta forma, no existem perturbaes externas ou limitaes dos

componentes que impediriam o sistema de se manter em equilbrio.


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Neste sistema, no existe verificao e reajuste da velocidade programada, o que

permite a ocorrncia de erros no processo. Vejamos em seguida um exemplo em que isso

evitado, ao utilizar-se um sistema de malha fechada.

2.2 Variao em malha fechada

Nesta verso do sistema de controle da mesa rotativa, a velocidade real medida, o

que gera um sinal de correo que reajustar o set pointdo sistema. O sensor que mede a

velocidade real um tacmetro, pois ele fornece uma tenso proporcional velocidade

medida. A diferena de tenso (real e programada) ou tenso de erro aplicada com sinalinverso no ajuste da bateria, ou seja, no set point.

Este sistema, assim como sua verso em malha aberta, monovarivel e estvel. A

varivel reguladora (tenso da bateria) continua controlando apenas a uma (tambm nica,

neste caso) varivel controlada (velocidade da mesa). Do mesmo modo, como a varivel de

sada consequncia apenas da varivel de entrada, isto , no existem perturbaes

externas ou limitaes de componentes que impeam este sistema de se manter em

equilbrio.


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3 EXEMPLO DE SISTEMA DE CONTROLE COM APLICAO INDUSTRIAL

Tomemos como exemplo de sistema de controle industrial o que utilizado para

controlar braos robticos, largamente utilizados nas indstrias mais desenvolvidas,

principalmente no segmento high-tech. O controle realizado atravs de um programa

(software), que define os movimentos a serem feitos pelo brao, e de um equipamento

(hardware) que atuar atravs de cabos, motores, amplificadores, sensores etc. de acordo

com o programa.

O sistema multivarivel, pois a varivel de sada (movimento do brao) se divide

em diversas partes, todas tridimensionais, o que faz necessrio que sejam envolvidos

diversos componentes a serem controlados pela varivel de entrada (programa). Almdisso, o sistema estvel, pois o movimento do brao depende exclusivamente da atuao

do programa sobre seus componentes. Isto , no existem fatores externos ou limitaes do

equipamento que impediriam o equilbrio do processo.

REFERNCIAS

DORF, Richard C.; BISHOP, Robert H. Sistemas de Controle Modernos. 8. Ed. Rio de

Janeiro: Livros Tcnicos e Cientficos Editora, 2001.

SARAIVA, Joo Paulo de Lima; MARANHO, Julyana da Rocha; LISTO, Thiago Luiz Alves.

Sistema de Controle de Brao Mecnico Automatizado. Belm: Instituto de Estudos

Superiores da Amaznia, 2008.

PUGLIA, Luiz Vasco; DELATORE, Fbio; GOMES FILHO, Jos Valter. Nota de aula de

Controle Automtico e Servo Mecnico: Controle Clssico. So Paulo: UniversidadePaulista, 2012.

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