Sistemas de Controle

Um sistema pode ser definido como um dispositivo abstrato que recebe entradas e produz saída como resposta a essas entradas.

Na Figura (a), exemplo gráfico de um sistema genérico S que recebe uma entrada x e dá uma saída y como resposta.

Em (b) da mesma figura, exemplo de um sistema com circuito RC: a tensão da fonte vs pode ser considerada entrada e a tensão no capacitor vc, saída.

Malha Aberta

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 comparado 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.

Em um sistema de malha aberta, a ação de controle independe da saída.

A Figura dá um exemplo simples: a alimentação de água para um reservatório é comandada por uma válvula manual. Desde que as vazões de suprimento e de processo costumam variar, esse sistema exige a periódica intervenção de um operador para manter o nível de água acima do mínimo necessário e abaixo do máximo (evitar transbordamento).

Malha Fechada

Controle em Malha Fechada

No sistema clássico de controle em malha fechada, que na sua forma mais usual é constituído por componentes contínuos ou analógicos, o sinal de saída possui um efeito direto na ação de controle, pelo que poderemos designá-los por sistemas de controle com realimentação ou retroação ("feedback”). Neste tipo de sistemas, o sinal de erro que corresponde à diferença entre os valores de referência e de realimentação (que pode ser o sinal de saída ou uma função do sinal de saída), é introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e a manter a saída do sistema num determinado valor, pretendido pelo operador. Por outras palavras, o termo "MALHA FECHADA" implica necessariamente a existência de uma realimentação com o objetivo de reduzir o erro, e manter deste modo a saída do sistema num determinado valor desejado. A Fig.2.5 representa a relação entrada-saída de um sistema de controle típico em malha fechado. Esta representação gráfica é designada na literatura de Controle por "DIAGRAMA DE BLOCOS".

Ação de controle

Fig.2.5.

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

Para ilustrar o sistema de controle em malha fechada, vamos considerar o sistema térmico da Fig.2.6, na qual está representado um operador que desempenha a função de controlador. Este operador pretende manter constante a temperatura da água à saída de um permutador de calor. No coletor de saída, está montado um termômetro (elemento de medida) que mede a temperatura real da água quente (variável de saída do sistema). Deste modo, em função das indicações fornecidas pelo elemento de medida, o operador irá manipular a válvula de controle de vazão de vapor de aquecimento, de modo a manter a temperatura da água o mais próxima possível do valor desejado.

Fig.2.6.

Esquema de Controle Manual de um Sistema Térmico.

Se em vez do operador, for utilizado um controlador automático, conforme apresentado na Fig.2.7, o sistema de controle passa a designar-se por automático. Neste caso, o operador seleciona a temperatura de referência ("set-point") no controlador. A saída do processo (temperatura real da água quente à saída do permutador de calor), é medida pelo transdutor de temperatura, e comparada no controlador com a temperatura de referência de modo a gerar um sinal de erro. Tomando como base este sinal de erro, o controlador gera um sinal de comando1para a válvula de regulação de vapor (atuador).

Este sinal de comando permite variar gradualmente a abertura da válvula, e, por conseguinte a vazão de vapor a admitir no permutador. Deste modo, é possível controlar automaticamente a temperatura da água à saída do permutador, sem que seja necessária a intervenção do operador.

Fig.2.7.

Esquema do sistema de regulação automática de um sistema térmico.

a) b) c) d)

Fig.2.8.

Dispositivo de regulação de temperatura com componentes atuais.

a) Transdutor de temperatura.

b) Controlador digital PID.

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.

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.

Vantagens do sistema de malha fechada:

  • Uma das vantagens é o fato de que o uso da realimentação faz com que a resposta do sistema seja relativamente insencível a distúrbios e variações internas nos parâmetros do sistema.

  • É possível a utilização de componentes relativamente imprecisos e baratos para obter o controle preciso de determinado sistema.

  • São mais vantajosos somente nos casos em que houver distúrbios e/ou alterações não previsíveis nos componentes do sistema.

Vantagens do sistema de malha aberta:

  • São simples de serem contruídos e têm fácil manutenção.

  • São menos dispendiosos do que um sistema correspondente de malha fechada.

  • Não apresentam problemas de estabilidade.

  • São apropriados quando existem dificuldades de avaliação da saída ou quando a medição precisa da saída não é economicamente possível. (Por exemplo, na máquina de lavar roupas, sería bastante dispendiosa a instalação de um dispositivo para avaliar se as roupas foram bem lavadas.)

Referências:

http://www.matematiques.com.br

2.3.3 Controle de Malha Aberta versus Controle de Malha Fechada

Amintas Paiva Afonso

Apostila de Sistema de Automação e Controle

2.2. Estruturas básicas do Controle Automático – páginas Error: Reference source not found19 à 22

SENAI – Espírito Santo/ Companhia Siderúrgica de Tubarão

1 Sinal de controle -> o sinal de saída do regulador, é normalmente do tipo elétrico, pneumático ou hidráulico. É enviado para o atuador através de uma interface de potência (amplificador, conversor, corrente-pressão (I/P), etc.).

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