PMR2360Apost Cap1Versao2004

PMR2360Apost Cap1Versao2004

(Parte 1 de 3)

Uma breve introdução aos sistemas de controle

1.1 Introdução

Este capítulo tem por objetivo introduzir os conceitos fundamentais de sistemas de controle em malha fechada, tentando enfatizar a importância e suas principais conseqüências.

1.2 Sistemas de controle - uma definição

Um sistema de controle é uma interconexão de componentes formando uma configuração que fornece um desempenho desejado. Um componente ou processo a ser controlado pode ser representado como um diagrama de blocos como o da Figura 1.1.

A relação entrada-saída representa a relação causa-efeito do processo, em geral descrita matematicamente através de equações diferenciais, equações de diferença, funções de

Y(s)G(s)Planta U(s) saida

Figura 1.1: Representação de um sistema ou processo a ser controlado. 1

Notas de Aula PMR2360 Newton Maruyama transferência, etc.

1.2.1 Sistema de controle em malha aberta (open loop)

Um sistema de controle em malha aberta utiliza um dispositivo atuador para controlar o processo diretamente sem a utilização de realimentação (feedback). Um diagrama de blocos representando um sistema de controle em malha aberta está ilustrado na Figura 1.2.

Y(s)G(s)

PlantaControlador H(s) U(s)R(s) referencia saida

Figura 1.2: Representação de um sistema de controle em malha aberta.

Exemplos de sistemas de controle em malha aberta:

• O sistema convencional de injeção de combustível num automóvel, utilizando um carburador, utiliza um sistema de controle de malha aberta para o controle da marcha lenta do motor de combustão. O objetivo do sistema de controle é manter o motor numa velocidade relativamente baixa (para economia de combustível) independentemente da carga aplicada (transmissão, direção hidráulica, etc.). Sem a utilização de um sistema de controle de marcha lenta em malha fechada qualquer mudança repentina na carga aplicada pode provocar uma mudança no valor da velocidade do motor. Neste caso, as variáveis de entrada do sistema são o ângulo de abertura da válvula de combustível α e o torque aplicado TL e a saída do sistema é a velocidade do motor ω (Figura 1.3).

Notas de Aula PMR2360 Newton Maruyama

Figura 1.3: Sistema de controle para a marcha lenta do motor.

• Numa máquina de lavar roupa todos os ciclos do processo (lavar, enxaguar, etc.) são controlados através do tempo de duração de cada tarefa. Nenhuma variável é medida para controlar a qualidade do processo.

1.2.2 Sistema de controle em malha fechada

Um sistema de controle em malha fechada usa uma medida da saída e uma realimentação deste sinal para uma comparação com a saída (resposta) desejada (referência). A Figura 1.4 ilustra um diagrama de blocos para um sistema de controle em malha fechada.

E(s)R(s) Y(s)H(s)Controlador G(s) Planta

+ referencia saida U(s)

Figura 1.4: Representação de um sistema de controle em malha fechada.

Alguns exemplos:

• Robôs Industriais: neste caso, em geral, deseja-se deslocar a ferramenta do robô (por exemplo: um sistema de soldagem) com trajetória e orientação precisas no espaço 3D. Desta forma, são necessários seis graus de liberdade (3 para posição e 3 para orientação).

Notas de Aula PMR2360 Newton Maruyama

• Aviões: os sistemas de controle de trajetórias de aviões são denominados sistemas de controle de atitude.

• Sistema de leitura de discos rígidos: para discos rígidos é necessário o posicionamento da cabeça de leitura com bastante precisão (Veja Figura 1.5).

Figura 1.5: Sistema de leitura para discos rígidos.

• Controle manual: algumas vezes a malha fechada pode ser executada através de um operador, como pode ser observado na Figura 1.6, onde um operador controla o nível d’água de um tanque.

Figura 1.6: Controle de nível d’água realizado manualmente.

• Uma das operações manuais mais sofisticadas realizadas pelo homem é a direção de um automóvel, onde a informação de realimentação são imagens que são realimentadas através do sistema de visão humanos (Veja Figura 1.7).

Notas de Aula PMR2360 Newton Maruyama

Figura 1.7: Direção de um automóvel. 19 de Agosto de 2004 - 10:51 AM 5 DRAFT V 4.0

Notas de Aula PMR2360 Newton Maruyama

Figura 1.8: Sistema de controle de velocidade para máquina a vapor.

1.3 Alguns fatos históricos

• (300-1AC) Primeiras aplicações de controle na Grécia:

– Ktesibios desenvolve um relógio d’água que utiliza um regulador flutuante.

– (250AC) Philon desenvolve uma lamparina a óleo que utiliza um regulador flutuante para manter o nível de óleo constante.

– (1DC) Heron de Alexandria publica um livro denominado Pneumatica que contêm várias formas de utilização de reguladores flutuantes para controlar o nível d’água.

• (1769) O sistema de controle de velocidade para uma máquina a vapor desenvolvido por James Watt é considerada a primeira aplicação industrial (Veja Figura 1.8).

• (1868) J.C. Maxwell formula um modelo para o regulador de velocidade da máquina a vapor.

Notas de Aula PMR2360 Newton Maruyama

• (1927) H.W. Bode analisa amplificadores realimentados. • (1932) H. Nyquist desenvolve um método para analisar a estabilidade de sistemas.

• (1952) Máquinas CNC desenvolvidas no MIT.

• (1954) George Devol desenvolve o primeiro robô industrial.

• (1970) Modelos de variável de estado e controle ótimo são desenvolvidos.

• (1980) Controle robusto é desenvolvido.

(Parte 1 de 3)

Comentários