Malha aberta e malha fechada

Prévia do material em texto

Controle de Processos
❑ O controle automático é essencial em qualquer campo da engenharia e da 
ciência. 
❑ O controle automático é um componente importante e intrínseco em 
sistemas de veículos espaciais, sistemas robóticos, modernos sistemas de 
manufatura e quaisquer operações industriais que envolvam o controle de 
temperatura, pressão, umidade, viscosidade, vazão etc. 
❑ É desejável que a maioria dos engenheiros e cientistas esteja familiarizada 
com a teoria e a prática do controle automático.
Introdução
❑ Mas não somos os únicos criadores de sistemas controlados 
automaticamente, já que estes sistemas também existem na natureza.
❑ No interior de nossos próprios corpos existem inúmeros sistemas de 
controle:
➢ O pâncreas, que regula o nosso nível de açúcar do sangue. 
➢ Em situações de estresse agudo, nossa adrenalina aumenta junto com a 
frequência cardíaca, fazendo com que mais oxigênio seja levado às 
nossas células. 
➢ Nossos olhos seguem um objeto em movimento para mantê-lo no 
campo visual; 
➢ nossas mãos seguram um objeto e o colocam precisamente em um 
local predeterminado.
Introdução
❑ Dizem respeito aos engenheiros de sistemas de controle o conhecimento e 
controle de segmentos à sua volta, chamados de sistemas, com a 
finalidade de dotar a sociedade de produtos úteis e econômicos. 
❑ Os objetivos duplos de conhecimento e controle são complementares, 
uma vez que o controle efetivo de sistemas requer que os sistemas sejam 
compreendidos e modelados. 
❑ Além disso, a engenharia de controle deve considerar muitas vezes o 
controle de sistemas mal conhecidos, como sistemas de processos 
químicos. 
Introdução
❑ O presente desafio ao engenheiro de controle é a modelagem e o controle 
de sistemas modernos, complexos e interligados:
➢ sistemas de controle de tráfego.
➢ processos químicos. 
➢ sistemas robóticos.
➢ automação industrial.
❑ Um sistema de controle é uma interconexão de componentes formando 
uma configuração de sistemas que produzirá uma resposta desejada do 
sistema. A base para análise de um sistema é formada pelos fundamentos 
fornecidos pela teoria dos sistemas lineares, que supõe uma relação de 
causa e efeito para os componentes de um sistema. 
Introdução
É qualquer coisa que interage com o meio ambiente, recebendo deste 
informações ou ações chamadas entradas ou excitações e reagindo sobre ele 
dando uma resposta ou saída. 
Definições
Sistema
Geralmente, u(t) e y(t) são relacionados matematicamente através de uma equação diferencial. 
Definições
Modelo Matemático
O modelo de um sistema é uma função matemática entre a entrada u(t) e a 
saída y(t) do sistema. O modelo pode ser obtido usando-se:
1. Leis físicas
➢ leis de Newton;
➢ leis de Kirchoff;
➢ Equação de Bernoulli; etc
2. Metodologias experimentais
➢ respostas transitórias;
➢ respostas em frequência, etc. 
Componentes de um sistema de controle
❑ Variável do processo (PV): quantidade ou condição física medida a fim de 
realizar a indicação para o controle do processo (variável controlada); 
❑ Variável manipulada (MV): é a grandeza operada com a finalidade de 
manter a variável controlada no valor desejado; 
❑ Setpoint (referência): valor desejado da variável controlada; 
❑ Medidor: dispositivo que mede o valor da saída (variável medida). Exemplo: 
sensor de temperatura. 
Componentes de um sistema de controle
❑ Comparador: dispositivo que constrói o sinal de erro entre o valor desejado 
e o valor obtido. 
❑ Controlador: dispositivo que manipula o sinal do erro, gerando um sinal de 
controle a fim de corrigir a variável controlada. 
❑ Atuador: recebe o sinal de controle e atua na variável manipulada
Definições
Controle de um Sistema
Significa como agir sobre um sistema de modo a obter um resultado 
arbitrariamente especificado. 
Um fundamento básico da teoria de controle é o uso da realimentação. 
Através de exemplos, iremos introduzir o conceito de realimentação.
Exemplo 1: Durante o banho, verificamos se a temperatura da água é a 
desejada, caso contrário, podemos regular a temperatura através da 
quantidade de água, ação que se repete até que a temperatura seja a 
desejada.
▪ Variável controlada: temperatura;
▪ Variável manipulada: fluxo de água (vazão); 
▪ Valor desejado (referência): temperatura agradável ao usuário; 
▪ Medidor (sensor): pele humana;
▪ Controlador: cérebro humano; 
▪ Atuador: mãos do usuário ao abrir/fechar a torneira.
Exemplo 2: Considere o seguinte problema no qual o homem deseja aquecer o interior 
de um prédio, tendo em vista que a temperatura externa é 0°C. Para isto ele dispõe de um 
aquecedor e um termômetro para leitura da temperatura interna da sala. O objetivo de 
controle é manter a temperatura da sala em Ts=22°C, mesmo na ocorrência de alguns 
eventos: abrir a porta, desligar o fogão etc. E que ele possa dormir.
1ª estratégia: o 
homem fecha a chave 
e então vai dormir. O 
sistema de controle 
pode ser 
esquematizado no 
seguinte diagrama:
Esta configuração é chamada de sistema de malha aberta. 
O resultado é que a 
temperatura da sala 
irá crescer 
indefinidamente se o 
aquecedor estiver 
superdimensionado e 
Ts>>22ºC. 
Essa estratégia falhou 
2ª estratégia: o homem lê o 
termômetro e usa a seguinte 
tática: 
Se Ts <22°C ele liga a chave 
Se Ts >22°C ele desliga a chave
Neste caso o homem não terá altas 
temperaturas, sendo melhor que a 1ª 
tentativa porém, o homem não dormirá
2ª estratégia: o homem lê o 
termômetro e usa a seguinte 
tática: 
Se Ts <22°C ele liga a chave 
Se Ts >22°C ele desliga a chave
3ª estratégia: controle automático usando um bimetal. 
O bimetal é composto de dois metais com coeficientes de dilatação térmica 
diferentes. 
3ª estratégia: controle automático usando um bimetal. 
O bimetal é composto de dois metais com coeficientes de dilatação térmica 
diferentes. 
Melhor tática, pois o homem poderá 
dormir e a temperatura da sala será 
mantida em torno de 22°C.
Malha Aberta
Vantagens
i) Simples construção; 
ii) Mais barato que a malha fechada; 
iii) Conveniente quando a saída é de difícil acesso ou economicamente não 
disponível.
Desvantagens
i) Distúrbios e variações na calibração acarretam erros e a saída pode ser 
diferente da desejada; 
ii) Para manter a qualidade na saída é necessária uma recalibração periódica;
iii) Inviável para sistemas instáveis
Malha Fechada
Definição
A ação de controle é dependente da saída. O sinal de saída é realimentado
e comparado ao valor de referência a fim de definir uma ação de controle 
que diminua o erro. 
Malha Fechada
Diagrama de Blocos geral
Malha Fechada
Vantagens
i) Uso da realimentação aumenta a precisão no controle do sistema;
ii) Capazes de melhorar a dinâmica do sistema e, eventualmente, estabilizar um 
sistema naturalmente instável em malha aberta;
Desvantagens
i) Maior custo;
ii) Maior complexidade.
Um exemplo histórico
Controle de Nível
Os gregos começaram a engenharia de 
sistemas com realimentação por volta 
de 300 a.C. Um relógio de água, 
inventado por Ktesibios, funcionava 
através do gotejamento de água a uma 
taxa constante em um recipiente de 
medição. O nível de água no recipiente 
de medição podia ser usado para 
informar o tempo decorrido.