Instrumentação Cap 1 - Introdução

Instrumentação Cap 1 - Introdução

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Iniciamos nossa análise para esse caso, supondo que ambas (entradas e saída) tenham a mesma vazão e consequentemente não alteramos o nível “h”.

Figura 1.5 - Exemplo 2: entrada e saída constantes

Aumentando a vazão de entrada para um valor constante, observaremos um acréscimo de nível, superior ao nível “h”, até que venha a transbordar, pois a saída terá o mesmo valor constante de vazão.

Figura 1.6 - Exemplo 2: Aumento do nível com o aumento da entrada

Da mesma forma de análise para a situação inversa, obteremos um decréscimo de nível em relação ao nível “h”, até o total esvaziamento da caixa.

Figura 1.7 - Exemplo 2: diminuição do nível com o aumento da saida

Instrumentação e Controle Capitulo 01 Introdução10

Esse tipo de processo, portanto, não tem a característica de autoregulação. De maneira geral os processos dotados de auto-regulação são mais simples de serem regulados ao passo que, os que não tem autoregulação são difíceis ou até mesmo impossíveis.

1.3 - SISTEMAS DE CONTROLE

Um sistema de controle é um conjunto de componentes agrupados com a finalidade de controlar uma energia de entrada para alcançar uma saída desejada. Por exemplo; num sistema de controle de temperatura, a energia térmica é regulada para manter a temperatura em um determinado valor dentro de uma faixa preestabelecida. O controle de processos, consiste em supervisionar, monitorar e comandar as entradas e saídas dos processos para que as transformações sejam efetuadas dentro dos limites preestabelecidos.

O controle pode ser manual ou automático. O primeiro é efetuado através dos sentidos e ação humana, enquanto o segundo, não depende da interferência direta humana (sistema automático). Os sistemas de controle são divididos quanto a Estrutura e Função de

Transferência em:

- Malha aberta: A ação de controle não depende das informações de saída.

Este tipo de controle é chamado controle com ajuste manual.

- Malha fechada: A ação de controle depende de informações da reação da saída (realimentação),

No controle em Malha Aberta a entrada define o comportamento do controlador, cérebro do sistema, e este responde agindo no ambiente, sem verificar depois se o nível da grandeza física corresponde de fato à entrada; não há sensor para observar algum eventual desvio, nem realimentação, para corrigi-lo.

Ex.: Uma fonte de alimentação regulada com transistor é, na realidade, um sistema de controle de malha aberta; se a corrente da carga variar, a tensão na saída pode variar até algumas dezenas de mV, devido à variação na tensão Vbe.

Figura 1.8 - Regulador a zener – malha aberta

A entrada, neste sistema, é a tensão de referência fornecida pelo diodo zener, na base do transistor;

A saída, nesse mesmo sistema, no emissor é, aproximadamente 0.7 V menor. O transistor, que é o controlador, amplifica a corrente, fornecendo à carga mais corrente que poderia ser obtida sobre o zener, na base.

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Os sistemas de Malha Fechada verificam a ocorrência de desvios, pois contém um sensor, que monitora a saída (amostragem da variável a ser controlada), fornecendo um sinal que retorna à entrada, formando uma malha de realimentação (feedback). A entrada (referência) é combinada com a realimentação em um comparador que fornece um sinal de erro, diferença entre os sinais, que orienta o controlador.

Poderemos dar dois exemplos de um sistema em malha fechada: 1- O operador de um reservatório verifica se o nível máximo foi atingido

(set-point) através de uma régua de nível, que é o sensor. O sinal de erro é a diferença entre o nível máximo, que é a entrada desejada, e a saída, que é o

nível atual. A comparação entre ambos é feita na mente do operador, que age abrindo ou fechando o registro conforme o erro seja para mais (excesso do fluído) ou menos. Ele é ao mesmo tempo o comparador, o controlador e o atuador neste sistema elementar. 2- O outro exemplo, é verificado diariamente quando tomamos banho de chuveiro e temos a nossa disposição água fria e água quente para regularmos a temperatura ideal da água. Nosso corpo, nesse caso, comporta-se como um medidor de temperatura enquanto o nosso cérebro comporta a temperatura que desejamos com a medida. Por intermédio de nossas mãos, o cérebro envia comando para a abertura maior ou menor das torneiras.

Como vemos, os sistemas de controle em malha fechada são mais precisos, pois detectam e corrigem os desvios. A maioria dos sistemas atuais, é deste tipo.

Os sistemas em malha aberta são usados onde a freqüência ou a conseqüência dos desvios não justificam a complexidade e o custo maior dos sistemas em malha fechada.

Os sistemas de controle costumam ser representado graficamente através de diagramas de blocos. Este método de representação simbólica

dos sistemas mostram o relacionamento entre as partes e o fluxo dos sinais. No estudo do comportamento dos sistemas de controle, os blocos representam funções/operações matemáticas.

Figura 1.9 – Diagramas de blocos

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Os diagramas mostram graficamente o funcionamento dos sistemas, e valem para qualquer tecnologia ou grandeza controlada, o que varia, é apenas a atuação de cada bloco. Os blocos podem ser associados e simplificados utilizando a álgebra dos blocos.

Em um sistema em malha aberta, a entrada é o nível desejado da grandeza a ser controlada. O controlador avalia este sinal e envia um outro (que pode ser elétrico ou mecânico, conforme o sistema) ao atuador, que é o elemento que age no ambiente de modo a alterar a grandeza.

ENTRADASAÍDA

Figura 1.10 – Sistema de Malha Aberta – Diagrama de blocos

Um sistema elementar de controle de tensão de saída de um gerador

C.C., pouco em uso, compõe-se de um reostato (resistor ajustável de potência) em série com o enrolamento de campo (excitatriz) do gerador. Um operador (controlador) ajusta o reostato, que é o atuador, comparando com uma escala aferida (dial) variando a tensão de saída (V0). O sistema não é auto regulado, e a tensão de saída poderá mudar conforme a carga (corrente solicitada) na saída ou variação de velocidade da máquina primária.

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Figura 1.1 – Controle da tensão de saída de um Dínamo – Malha aberta

Para efeito de estudo de um controle de processo os diagramas de blocos para sistemas em malha fechada são representados como mostrado na figura a seguir:

Figura 1.12 – Digrama de blocos simplificado para estudo de sistemas automáticos. R– Referência; εε - Erro; m – V. manipulada; C – V. controlada; F – Feedback)

Além dos blocos que compunham o sistema de controle em malha aberta, temos um sensor, que reage à grandeza física enviando um sinal ao bloco somador, que subtrai este sinal ao de entrada (observe os sinais + e - nas entradas), fornecendo um sinal de erro ao controlador. Este sinal é a entrada do controlador, que o avalia e tenta corrigir o desvio captado pelo sensor, através de um novo comando ao atuador.

A realimentação pode ser positiva ou negativa:

- Positiva é quando a informação de saída não se opõe ao sinal da entrada do processo. Neste caso se perde o controle, pois, não haverá correção para o valor ajustado.

- Negativa é quando o sinal de saída se opõe ao sinal de entrada, possibilitando assim a correção para o valor preestabelecido.

A maioria dos sistema de controle são em malha fechada, devido as vantagens da realimentação negativa.

Considerando os objetivos específicos deste trabalho, será considerado para estudo o controle automático. Um controle automático possui uma arquitetura básica genérica mostrada a seguir.

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Figura 1.13 - Arquitetura básica de um sistema de controle.

Os sistemas de controle podem ser de um único laço de realimentação

(SINGLE LOOP CONTROLLERS) ou de multi-laços (MULTIPLE INPUT MULTIPLE OUTPUT).

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