Introdução a Sistemas de Controle IFSP Automação

Introdução a Sistemas de Controle IFSP Automação

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FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA Tel/Fax.: (034) 3239-4166 / 3239-4180

Faculdade de Engenharia Elétrica

Sistemas de Controle

DEL03 5o período

Cap. I – Introdução a Sistemas de Controle

Prof. Darizon Alves de Andade

Introdução

siderúrgica, eletrônica, famaceutica, etcA própria natureza nos mostra muitas
formas de controle natural, como por exemplo, o equilíbrio da vida em ecosistemas
colocam o corpo sob risco, etc
Sistemas de controle não se caracterizam somente para sistemas físicosÉ possível

Sistemas de controle são parte integral da sociedade moderna. Inúmeras aplicações estão presentes no nosso dia a dia: controle de temperatura, controle de níveis de iluminação, controle de níveis de líquidos, controle de velocidades, controle de fluxo de fluidos nas mais diversas aplicações, controle de posição de satélites, direcionamento de navios e aeronaves, direcionamento automático de mísseis e sistemas de rastreamento de alvos, controle de processos na indústria química, Os animais, incluindo o homem executam diversas funções de controle como por exemplo atuar para manter a temperatura do corpo constante, reagir em situações que estabelecer modelos para o controle automático dos mais variados aspectos do comportamento humano, como por exemplo desempenho de estudantes, onde a variável de entrada é representada pelo tempo disponível para dedicar aos estudos e a variável de saída, ou variável controlada são as notas obtidas. O modelo pode ser usado para prever o tempo necessário de estudo para se alcançar determinada melhoria nas notas, se um determinado aumento no tempo de estudo for possível. Usando o modelo, pode-se determinar se vale a pena ou não o esforço de aumentar o tempo de estudo na última semana do semestre para se alcançar determinado nível de desempenho.

Definição do sistema de controle

com o propósito de controlar as saídas dos processosPor exemplo, um forno produz
do fornoOutros subsistemas tais como termostatos, que agem como sensores,
medem a temperatura do ambienteNa sua forma mais simples, o sistema de

Um sistema de controle consiste de subsistemas e processos (ou plantas) reunidos calor como resultado do fluxo de combustível. Neste processo, subsistemas chamados de válvulas de combustíveis e atuadores de válvulas de combustíveis são usados para regular a temperatuda de um ambiente, controlando a produção de calor controle leva a uma saída ou reposta para um dado estímulo ou entrada. Isto pode ser esquematizado na Fig. 1

Sistema de controle

Entrada; Referência

Estímulo; Resposta desejada

Saída; Resposta

Fig. 1 – Descrição simplificada de um sistema de controle

Vantagens dos Sistemas de Controle.

porte com níveis de precisão, que de outra forma seria impossívelPodemos
automaticamente no andar escolhidoSem os mesmos, não poderíamos fornecer a

Com sistemas de controle podemos movimentar e posicionar equipamentos de grande posicionar com precisão enormes antenas de forma a captar sinais de rádio das mais remotas distâncias do universo, pode-se controlar o comportamento de uma nave espacial não tripulada desde o lançamento até o seu destino final, como o acoplamento à outro sistema no espaço. Pode-se controlar a aterrisagem de um avião de passageiros à noite e com condições climáticas desfavoráveis. Graças aos sistemas de controle, elevadores nos transportam rápida e confortavelmente, parando potência requerida para transportar o peso à velocidade desejada ou requerida; motores fornecem a potência e os sistemas de controle regulam a posição e a velocidade.

São quatro as razões básicas para se construir sistemas de controle: 1. Amplificação de potência; 2. Controle remoto; 3. Conveniência na forma do sinal de entrada ou referência; 4. Compensação de distúrbios.

requerida, ou seja, o ganho de potência
pode ser usado para pegar e movimentar material em um ambiente radioativo

Por exemplo, uma antena de radar, posicionada pela rotação de um knob de baixa potência, a entrada ou referência, requer elevada potência para executar o movimento de rotação. O sistema de controle pode produzir a amplificação de potência Robôs projetados com os princípios de sistemas de controle podem compensar inabilidades humanas. Sistemas de controle são também bastante convenientes em locais remotos ou perigosos. Por exemplo, um braço de robô com controle remoto

forma da referênciaPor exemplo, em um sistema de controle de temperatura, a

Sistemas de controle também podem ser usados para a conveniência de mudar a entrada é a posição em um termostato. A saída é o calor. Portanto, uma entrada na forma de posição, que é conveniente, leva a uma saída desejada, na forma térmica.

capaz de detectar o distúrbio e corrigir a posição da antenaObviamente, a referência

Vamos agora olhar para outra vantagem de um sistema de controle, a habilidade de compensar distúrbios. Tipicamente, controlamos variáveis tais como temperatura em sistemas térmicos, posição e velocidade em sistemas mecânicos, e tensões e correntes elétricas em sistemas elétricos. O sistema deve ser capaz de fornecer uma saída correta, mesmo com a presença de distúrbios. Por exemplo, considere um sistema de antena que aponta para uma posição comandada. Se o vento força a antena de sua posição de referência, ou se ruído se faz presente internamente, o sistema deve ser do sistema não vai mudar para se fazer a correção. Consequentemente, o sistema por si mesmo deve (1) medir a intensidade com que o distúrbio reposicionou a antena e (2) retornar a antena para a posição comandada originalmente pela referência.

História dos Sistemas de Controle.

Controle de nível de líquidos

antes de CristoO relógio de água, inventado por Ktesibios tinha como princípio de

Os gregos inciaram os sistemas de engenharia de realimentação em torno de 300 anos operação o enchimento de um container com vazão constante. Para que a água tenha vazão constante, o nível de água do tanque de suprimento deve ser mantido constante. Para atingir este objetivo uma válvula flutuante semelhante aos controles de nível de água em sistemas de descarga atuais era utilizada.

anterior, portanto bloqueando a entrada de ar no elevador verticalPortanto, o

Logo em seguida ao relógio de água de Ktesibios, a idéia de controle de nível de líquidos foi aplicada a uma lâmpada de óleo por “Philon de Byzantium”. A lâmpada consistia de dois containers de óleo posicionados verticalmente. O container inferior era aberto no topo e servia de suprimento de combustível para a chama. O container superior, fechado, era o reservatório de combustível para o container inferior. Os containers eram interconectados por dois tubos capilares e um outro tubo, chamado de elevador vertical, que era mergulhado no óleo do container inferior, com a ponta ligeiramente abaixo da superfície do óleo. A medida que o óleo queimava, a ponta do elevador vertical ficava exposta ao ar, que forçava o óleo do reservatório superior a fluir para o inferior através dos tubos capilares. A transferência do óleo do reservatório superior para o inferior cessava quando o nível de óleo atingia o nível sistema mantinha constante o nível do líquido no reservatório inferior.

Outro nome histórico é o de Heron de Alexandria, que viveu no primeiro século depois de Cristo. Êle publicou um livro com título Pneumática, que delineou diversos mechanismos de controle n[ivel de líquidos utilizando reguladores flutuantes.

Controle de pressão de vapor e de temperatura.

com peso instaladas na parte superior da cápsula de vaporSe a pressão da cápsula
tinha um “vial” de alcool e mercúrio com um flutuadorO flutuador era conectado

Controle de pressão de vapor iniciou-se em torno de 1681 com a invenção da válvula de segurança por Denis Papin. O conceito foi elaborado pela utilização de válvulas excedesse o peso da válvula, vapor era liberado com a consequente redução da pressão interna. Enquanto a pressão interna não atingisse valor suficiente para levantar o peso a válvula permaneceria fechada e a pressão da cápsula (caldeira) aumentaria. Dessa forma o peso da válvula determinava a pressão interna. Este é o princípio de operação das panelas de pressão ainda utilizadas em cozinhas domésticas. Também no século dezessete, “Cornelis Drebbel” na Holanda inventou um sistema de controle de temperatura puramente mecânico para chocadeira de ovos. O dispositivo em um “damper” que controlava a chama. Uma porção do “vial” era inserida no incubador e atuava como sensor do calor gerado pela chama. A medida que o calor aumentava, o álcool e o mercúrio se expandiam, elevando o flutuador, fechando o “damper”, e reduzindo a chama. Temperatura mais baixa causava o abaixamento do flutuador, portanto abrindo o “damper” e aumentando a chama.

Controle de velocidade

se a velocidade aumenta a válvula começa a se fechar reduzindo o fluxo de vaporSe

O primeiro controlador com sistema de realimentação utilizado em processos industriais é normalmente atribuído a James Watt, que utilizou o sistema de esferas girantes (flyball governor) para controlar a velocidade de uma máquina a vapor. No dispositivo, completamente mecânico, duas esferas giram proporcionalmente à velocidade do eixo. Na medida em que a velocidade aumenta, o raio de giração das esferas aumenta de forma que a sua altura é proporcional à velocidade do eixo. Um mecanismo acoplado às esferas controla uma válvula de fluxo de vapor, de forma que a velocidade diminui o mecanismo abre a válvula permitindo que o fluxo de vapor aumente, controlando desta forma a velocidade do eixo.

Estabilidade, estabilização e controle de direção.

estabilidade para sistemas de quinta ordemEm 1877 o tópico para o prêmio Adams
conhecemos atualmenteEstudante sob orientação de P.L. Chebyshev na

A teoria de sistemas de controle conhecida atualmente começou a cristalizar-se na última metade do século dezenove. Em 1868 James Clerk Maxwell publicou os critérios de estabilidade para o sistema de terceira ordem baseado nos coeficientes da equação diferencial. Em 1874 Edward John Routh, por sugestão de William Kingdon Clifford, que foi ignorado por Maxwell, foi capaz de extender o critério de foi “The Criterion of Dynamical Stability”. Em resposta, Routh submeteu o artigo “A Treatise on the Stability of a Given State of Motion”, e ganhou o prêmio. Este artigo contém o que hoje é conhecido como critério de estabilidade de Routh-Hurwitz. Alexandr Michailovich Lyapunov também contribuiu para o desenvolvimento e formulação da teoria e prática de estabilidade de sistemas de controle conforme Universidade de São Petersburgo na Rússia, Lyapunov extendeu o trabalho de Routh para sistemas não lineares na sua tese de doutorado cujo título é “The General Problem of Stability of Motion”. Durante a segunda metade do século dezenove o desenvolvimento de sistemas de controle deu-se em aplicações de controle de direção e estabilização de navios. Outros esforços foram direcionados à estabilização de plataformas de canhões, bem como estabilização de navios como um todo, utilizando pêndulos como sensores de movimento.

Desenvolvimentos no Século X

Até 1922 – direcionamento automático de navios utilizando esquemas de compensação e técnicas de controle adaptativo para melhorar desempenho; 1920-1930 – H.W. Bode e H. Nyquist da Bell Telephone Laboratories desenvolveram a análise de amplificadores com realimentação, utilizados para propiciar conexões em cascata e permitir conversações a distancias de milhares de quilômetros; 1948 – Walter R. Evnas, trabalhando na indústria aeronautica, desenvolveu uma técnica gráfica de determinar as raízes da equação característica do sistema de realimentação, que possui parâmetros variáveis. Esta técnica conhecida como lugar das raízes, juntamente com o trabalho de Bode e Nyquist formam a base da teoria de análise e projeto de sistemas de controle lineares.

Aplicações contemporâneas

sistema, mantendo a temperatura em níveis desejados

Atualmente, sistemas de controle são largamente utilizados em aplicações de direcionamento, navegação e controle de mísseis, veículos espaciais, aviões e navios, envolvendo sistemas hidráulicos, mecânicos e elétricos. Sistemas de controle encontram também aplicações diversas em processos industriais, regulando níveis de líquidos em tanques, concentrações químicas, temperatura, pressão, umidade, bem como controle de espessura de materiais, como por exemplo, controle de espessura de material laminado em indústrias siderúrgicas. Computadores digitais são hoje parte integrante de sistemas de controle. Por exemplo, em robôs industriais, veículos espaciais e controle de processos industriais. É difícil visualizar uma aplicação moderna de controle onde um computador digital não esteja presente. Sistemas de controle não são limitados a aplicações da indústria e da ciência. Por exemplo, em um sistema doméstico de aquecimento um sistema de controle simples consistindo de uma lâmina bimetálica é empregado. A lâmina se expande ou contrai com variações de temperatura, e estes efeitos são utilizados para ligar ou desligar o O engenheiro de sistemas de controle.

projeto de circuitos ou desenvolvimento de softwareEntretanto, o engenheiro de
elétrica e de computação, matemáticos e físicos vão provavelmente estar presentes
elétrica e engenharia mecância estão todos envolvidos e entreleçadosDe forma que

Engenharia de sistemas de controle é um campo excitante onde o engenheiro se defronta com questões interdisciplinares e pode exercitar os seus talentos. O engenheiro de controle vai estar no topo de grandes projetos, engajado na fase conceitual de determinação ou implementação do desempenho total do sistema, funções de subsistemas, e a interconexão dessas funções, incluindo interfaceamentos, projetos de hardware e de software bem como testes das plantas e procedimentos. Muitos engenheiros estão engajados em uma área específica, como por exemplo sistemas de controle vai se estar interagindo com pessoas de inúmeras especialidades de engenharia e ciências. Por exemplo, em uma empresa que trabalha no ramo de biologia, profissionais de ciências biológicas, engenharia mecânica, engenharia O engenheiro de controle vai estar se relacionando com todas estas especialidades em todos os níveis, desde a concepção do projeto até a instalação, testes e operação. O engenheiro de controle pode estar trabalhando com sensores e motores, mas também com sistemas eletrônicos, pneumáticos e hidráulicos. O veículo espacial é outro exemplo da diversidade requerida do engenheiro de sistemas. Os conceitos de mecânica orbital, propulsão, aerodinâmica, engenharia o engenheiro atuando na área de sistemas de controle vai ter a oportunidade de expandir o seu horizonte de conhecimentos e experiências bem além do currículo universitário.

Configuração de Sistema de Controle e Respostas Características.

Entrada e Saída

mesmo adquire ou dissipa energiaEntão, o elevador passa por mudanças gradativas

A função básica de um sistema de controle é de proporcionar uma saída (ou resposta) a um dado estímulo (ou entrada ou ainda referência). A referência representa a resposta desejada; e a saída do sistema é a resposta propriamente dita. Por exemplo, no caso do elevador, quando alguém está no andar térreo e aperta o botão para ir até o quarto andar, o elevador se movimenta com determinadas aceleração e velocidade, e nivela o seu piso com o do andar desejado com precisão projetada para o conforto do passageiro. A Fig. 2 mostra referência e a resposta do sistema. Observe que para o interesse de conforto do passageiro, para não mencionar a limitação de potência disponível, não se deseja que o elevador reproduza perfeitamente o sinal de entrada, que indica bruscamente a mudança de nível. O sinal de entrada representa a saída desejada depois que o elevador tenha parado; o elevador propriamente dito segue o deslocamento descrito pela curva marcada como resposta do elevador. Dois fatores tornam a resposta diferente da referência. Primeiro, compare a mudança instantânea da entrada, com a mudança gradual da saída. Grandezas físicas não podem mudar o seu estado (posição, velocidade,...) instantaneamente. O estado muda seguindo uma trajetória que é relacionada com o dispositivo e a forma pela qual o a medida que sobe do andar térreo para o quarto andar. Essa parte da resposta é conhecida como resposta transitória.

êrro de regime permanente comando de referência resposta transitória resposta de regime permanente resposta do elevador tempo (s) andar

Fig. 2 – Resposta típica de um elevador a um comando de mudança de posição.

2, é chamada de erro de regime permanenteO erro de regime permanente não
precisa existir somente em um sistema defeituosoFrequentemente, o erro de regime

Após a resposta transitória, o sistema físico atinge a sua resposta de regime permanente, que é a sua aproximação à referência ou resposta desejada. Para o caso do elevador, esta resposta ocorre quando o elevador alcança o quarto andar. A precisão de nivelamento do piso do elevador com o do andar é o segundo fator que poderia fazer a resposta ser diferente da referência. Essa diferença, mostrada na Fig. permanente é inerente ao sistema projetado, e o engenheiro de controle determina o quanto este erro leva a uma degradação significante das funções do sistema. Por exemplo, em um sistema de rastreamento de satélite, um pequeno erro de regime permanente pode ser tolerado, desde que seja pequeno o suficiente para manter o satélite próximo da região central do feixe de rastreamento do radar. Entretanto, para um robô inserindo chips de memória nos soquetes de uma placa de circuito impresso, o erro de regime permanente deve ser zero.

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