Sistema de Automação e Controle

Sistema de Automação e Controle

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c) Conversor corrente-pressão (Conversor I-P), que converte o sinal de controle de 4-20 mA para pressão (3-15 psi).

d) Válvula de regulação com comando por ar comprimido (3-15 psi = 0.21-1.05 bar).

Como podemos verificar através das figuras anteriores, os dois sistemas funcionam de uma forma muito semelhante. Deste modo, os olhos do operador e o termômetro, constituem o dispositivo análogo ao sistema de medida de temperatura; o seu cérebro é análogo ao controlador automático, realiza a comparação entre os valores de temperatura desejada e medida, e gera o respectivo sinal de comando. Este sinal é veiculado pelos seus músculos que realizam a abertura ou fecho da válvula, os quais têm um papel análogo ao motor da válvula de regulação de vapor.

      1. Controle em Malha Aberta

Neste tipo de sistemas de controle, a saída não exerce qualquer ação no sinal de controle. Deste modo, a saída do processo não é medida nem comparada com a saída de referência. A Fig.2.9 representa o diagrama de blocos de um sistema deste tipo.

Fig.2.9.

Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberto.

Como se pode observar na figura, neste tipo de controle, a saída não é comparada com a entrada de referência. Deste modo, para cada valor da saída irá corresponder uma condição de funcionamento fixa. No entanto, na presença de perturbações, o sistema não irá atingir os objetivos desejados. Na prática, o controle em malha ou malha aberto, somente deve ser utilizado em sistemas para os quais a relação entre a entrada e a saída seja bem conhecida, e que não tenham perturbações internas ou externas significativas.

      1. Comparação entre os sistemas em malha fechada e aberta.

A vantagem dos sistemas de controle em malha fechada, relativamente aos de malha aberta, consiste no fato da realimentação, tornar a resposta do sistema relativamente insensível e perturbações externas e a variações internas dos parâmetros do sistema. Deste modo, é possível utilizar componentes mais baratos e de menor precisão, para obter o controle preciso de um dado processo. Esta característica é impossível de obter com um sistema em malha aberta. Do ponto de vista da estabilidade, os sistemas de controle em malha aberta são mais robustos, uma vez que a estabilidade não constitui um problema significativo. Nos sistemas de controle em malha fechada, a estabilidade constitui um problema de primordial importância, visto que o sistema pode tender a sobrepor erros, produzindo oscilações de amplitude constante ou variável. Assim, podemos concluir que:

Os sistemas em que são conhecidas as variáveis de entrada antecipadamente no tempo, e nos quais não haja perturbações muito significativas, é aconselhável a utilização do controle em malha aberta. Para sistemas que estejam sujeitos a perturbações imprevisíveis e/ou variações não previstas nos componentes do sistema, deve-se utilizar o controle em malha fechada.

Sempre que possível, é aconselhável utilizar uma combinação apropriada de controle em malha aberta e fechada, visto ser normalmente a solução mais econômica, e que fornece um desempenho global do sistema mais satisfatório.

NOTA: O conceito de controlador ou regulador é aplicado nestes apontamentos de forma indistinta. No entanto, existem diferenças entre as duas designações. Assim, tem-se:

Regulador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende manter fixa a referência r(t) e controlar as perturbações na saída c(t). É o caso usual do controle de processos utilizados na indústria (pressão, temperatura, vazão, nível, etc.). Exemplo: Pretende-se manter constante a temperatura da água à saída de um permutador, independentemente da vazão de passagem e da temperatura da água à entrada.

Controlador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende que a saída c(t) acompanhe uma referência variável no tempo r(t) para além de efetuar também o controle das perturbações na saída. Um exemplo típico deste dispositivo de controle designa-se por servomecanismo, sendo muito utilizado em sistemas de controle de posição e velocidade.

Exemplo:

1) Controle do ângulo de leme de um navio. Neste caso pretende-se que o leme rode de um ângulo igual ao da referência de ângulo de leme.

2)Controle de velocidade de um motor Diesel de navio.

    1. Controle Digital

Conforme já foi referido anteriormente, com o avanço cada vez maior da tecnologia dos microprocessadores, o regulador clássico (contínuos ou analógicos) apresentado no ponto anterior, têm vindo progressivamente a ser substituído por controladores ou reguladores digitais, baseados em microprocessador. Assim, no sistema de controle contínuo representado na Fig.2.5, pode-se substituir o controlador analógico por um controlador digital. As diferenças básicas entre estes dois controladores residem no fato de o sistema digital funcionar com sinais discretos (ou amostras do sinal contínuo medido pelo transdutor de medida), em vez dos sinais contínuos utilizados no controlador analógico. (Os diversos tipos de sinais no esquema da Fig. 2.10, estão representados na Fig.2.11).

Fig.2.10.

Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada.

Fig.2.11.

Evolução temporal dos sinais num malha de controle digital.

No diagrama do sistema de controle digital da Fig. (2.10), podemos ver que este contém elementos analógicos e digitais. Deste modo, o relógio (clock) ligado aos conversores A/D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Os conversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinal pulsado de relógio. O objetivo desta ação, é o de fazer com que o processo (“Plant”) receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de saída y(k) sincronizados com o sinal de relógio.

Deste modo, é necessário manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal de entrada. Existem técnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter (hold) o sinal de modo a produzir um sinal contínuo û(t).O gráfico da Fig.2.12 mostra que o sinal û(t)é mantido constante para u(k) no intervalo [kT ; (k+1)T]. Esta operação de retenção de û(t)constante durante o intervalo de amostragem é designada por "retenção de ordem zero" ou "zero-order hold".

Fig.2.12.

Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold").

O sinal û(t) tratado pelo retentor de ordem zero é introduzido em H2(s) de modo a produzir a saída do processo y(t). Este sinal é depois amostrado pelo conversor A/D de modo a poder-se obter o sinal y(k) que irá ser igual à amostra do sinal contínuo y(t). Esta operação é equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contínuo de saída do processo y(t).

Fig.2.13.

Evolução dos sinais num sistema digital (em cima) e contínuo analógico (em baixo).

Exemplo de sistema de controle digital (posição angular do veio de um motor).

Na Fig.2.14 nós podemos observar um sistema de regulação digital da posição do veio de um motor elétrico, através de micro-computador contendo um processador digital de sinal (“DSP - Digital Signal Processor”), de modo a poder realizar um elevado volume de cálculos sem necessitar de utilizar o microprocessador do computador. O elemento de medida de posição fornece um sinal analógico que é seguidamente convertido num sinal digital através de um conversor A/D, de modo a poder ser efetuada a lei de controle. Note que o sinal do encoder é também enviado para o PC via porta serial a fim de poder ser recolhida a posição angular do veio do motor. Na placa de DSP, são efetuados os cálculos do algoritmo de controle (PID ou outro…), obtendo-se um sinal de controle digital, que terá de ser convertido para um sinal analógico através de um conversor D/A. Neste caso, o atuador é constituído por um amplificador de potência de modo a poder atuar o motor. Assim, o computador e placa dedicada de DSP funcionam como um regulador digital de posição (servomecanismo), realizando a ação de controle através de um programa escrito numa linguagem de alto nível (Basic, Fortran, C, C++, Visual Basic, etc...).

Fig.2.14.

Sistema de regulação digital de posição de um motor elétrico.

    1. Exemplos de Sistemas de Controle e Regulação Industrial

Robôs manipuladores -Os manipuladores mecânicos (robôs), são usados freqüentemente na indústria para aumentar a produtividade. Os robôs podem realizar trabalhos monótonos e complexos, sem produzirem erros durante o funcionamento. Para, além disso, podem operar em ambientes intoleráveis para os seres humanos.

Fig.2.15a.

Sistema robótico, com utilização de câmara de vídeo para a detecção de objetos, a sua posição e orientação.

Fig.2.15b.

Diagrama de Blocos do Sistema com Visão

O Robô Industrial é constituído por uma parte mecânica, construída das mais diversas formas e geometrias. No entanto, deve possuir pelo menos um ombro, um braço e um punho, e desenvolver a potência suficiente para manipular as peças durante o ciclo de trabalho. Deve possuir também uma série de sensores (posição, velocidade, força, etc..), que são instalados nas diversas partes da estrutura mecânica. Num robô de elevada qualidade, pode ser também instalado um sistema de visão artificial (Ex: câmara de vídeo), para detectar a presença de um objeto a manipular, a sua localização e a respectiva orientação. O sistema de controle do Robô (computador digital), efetua a operação de manipulação do objeto, de acordo com o programa especificado pelo utilizador.

Máquina-ferramenta com comando CNC - Na Fig.2.16, podemos observar uma Máquina-ferramenta com controle numérico (CNC – Computer Numeric Control), para a usinagem de peças com perfis complexos (Ex: rotor de um compressor centrífugo). Neste caso, as coordenadas da peça, são introduzidas através de uma disquete, e o controlador digital envia os respectivos sinais de controle para o sistema de maquinação de modo a reproduzir a peça. A realimentação do sistema (feedback), garante que o perfil da peça irá ser executado com a precisão desejada.

Controle de processos industriais – É o caso mais usual de aplicação de sistemas de controle, quer na indústria em geral, quer no caso de instalações marítimas em particular. A título de exemplo, podem-se referir os seguintes casos:

i) Controle de temperatura de um trocador de calor; ii) Controle de nível de uma caldeira; iii) Controle de velocidade de uma turbina a vapor; iv) Controle de pressão de vapor numa tubulação; v) Controle do ângulo de leme de um navio (piloto automático).

Fig.2.16.

Sistema CNC de uma máquina-ferramenta.

    1. Controladores Automáticos Industriais

  1. Introdução

Um controlador automático tem como função produzir um sinal de controle que anule o erro (desvio), ou o reduza a um valor muito pequeno. O controlador compara o valor real da saída do processo com o valor desejado (set-point), determina o erro ou desvio, e produz o respectivo sinal de comando para o atuador. Os controladores podem ser classificados de acordo com o tipo de tecnologia utilizada na sua construção. Deste modo, poderemos ter:

- Controladores pneumáticos

- Controladores hidráulicos

- Controladores eletrônicos (analógicos e digitais)

A seleção do tipo de controlador deverá ser estudada caso a caso, visto que irá depender da natureza do processo, energia disponível, condições de segurança, custo, precisão, confiabilidade, peso e dimensões do equipamento.

      1. Ações de Controle Básicas

A realização do sinal de comando pelo controlador, pode ser obtida de diversas formas, designadas por "ações de controle ou de regulação", o que nos permite classificar os controladores da seguinte forma:

- Controladores de duas posições (ON-OFF)

- Controladores Proporcionais (P)

- Controladores do tipo Integral (I)

- Controladores do tipo Proporcional +Integral (P +I)

- Controladores do tipo Proporcional +Derivativo (P +D)

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