Unidade 1 - Introdução aos sistemas de controles

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TEORIA DE 
CONTROLE E 
SERVOMECANISMO
Eduardo Nery
 
Introdução aos 
sistemas de controle
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Identificar sistemas de controle.
 � Reconhecer diferentes tipos de sistemas de controle.
 � Diferenciar sistemas de controle em malha aberta de sistemas de 
controle em malha fechada.
Introdução
Neste capítulo, será apresentada uma introdução aos sistemas de controle, 
e você verá o importante papel dessa área nos recentes avanços da en-
genharia. O controle automático é de extrema importância em sistemas 
robotizados e veículos espaciais, por exemplo. Tais sistemas também estão 
presentes no controle de pressão, temperatura e umidade em processos 
industriais e, também, em sistemas de localização e navegação automática 
em aeronaves e veículos autônomos.
É essencial que engenheiros e cientistas tenham sólidos conhecimen-
tos em sistemas de controle e acompanhem atentamente os avanços 
mais recentes nessa área, com vistas à necessidade de otimizar cada vez 
mais os processos já existentes.
Identificação de sistemas de controle
No contexto da Engenharia Moderna, o termo sistema de controle se refere 
a qualquer sistema ou processo automatizado. Tais sistemas não se restrin-
gem meramente a sistemas robotizados, tão lembrados quando o assunto é 
tecnologia. Os sistemas de controle também estão presentes nos mais variados 
equipamentos presentes no nosso dia a dia, desde geladeiras e eletrodomésticos 
a automóveis e máquinas industriais. Fora do âmbito da Engenharia Elétrica, 
há outros exemplos de aplicações de sistemas de controle, como a análise de 
vibrações estruturais na construção civil e o controle de temperatura e pressão 
em processos químicos.
O que são sistemas de controle?
Primeiramente, é preciso definir sinal e sistema. Um sinal é um conjunto de 
dados que contêm informações sobre o comportamento de um fenômeno e é 
descrito por equações de uma ou mais variáveis. Em geral, a única variável é 
o tempo. Já um sistema é um conjunto de integrantes que processa sinais de 
entrada e gera sinais de saída. Esse processamento é descrito por operações 
matemáticas básicas (como ganhos) ou extensos (como coeficientes de uma 
Transformada de Fourier). Independentemente da complexidade, sistemas pro-
cessam uma informação recebida (entrada) e enviam informações processadas 
(saída). Dessa forma, um sistema de controle é um sistema projetado para 
adequar um ou mais sinais a padrões de projeto previamente determinados. 
Leia com atenção os termos definidos a seguir, pois serão muito utilizados 
em sua prática profissional:
 � Sensor: é um dispositivo que converte um estímulo físico em algo 
mensurável: sonares, câmeras, GPS, termômetros, barômetros, acele-
rômetros e giroscópios são exemplos de sensores. Estes dois últimos 
também são chamados de sensores inerciais. Logo, o sensor mede a saída 
do sistema e a converte em um sinal que pode ser enviado ao sistema.
 � Realimentação: ocorre quando a saída do sistema é mensurada a fim 
de influenciar sua entrada: esse processo ocorre em sistemas em malha 
fechada.
 � Atuador: é um dispositivo que altera o sistema ou a variável a ser 
controlada. A entrada do sistema é enviada para os atuadores. Exemplos 
de atuadores: motores, transistores, válvulas, cilindros hidráulicos ou 
pneumáticos. Alguns atuadores, principalmente motores, são o oposto 
do sensor, uma vez que convertem sinais em estímulos físicos.
 � Controlador ou compensador: é o dispositivo que gera sinais ao atu-
ador, de forma a adequar o sistema aos parâmetros projetados. 
 � Referência: é o valor desejado para comparação com o sinal enviado 
pelo sensor processado pelo controlador, em sistemas em malha fechada 
(OGATA, 2003).
Introdução aos sistemas de controle2
O conjunto desses dispositivos compõe o sistema de controle.
Exemplos de sistemas de controle
Conheça alguns exemplos de aplicações de sistemas de controle a seguir.
Sistema de controle de velocidade
O sistema de controle ilustrado na Figura 1 foi proposto por James Watt, em 
1788, para controle de velocidade em máquinas a vapor. Esse sistema também 
pode ser utilizado em motores de corrente contínua.
Figura 1. Controle de velocidade de um motor de combustão interna.
Fonte: Adaptada de Ogata (2003, p. 3).
Motor de
combustão
interna
Fachada
aberta
Válvula de
controle
Combustível
Válvula-piloto
Óleo sob
pressão
Cilindro de
potência
Carga
Em motores a combustão, o sistema funciona a partir do ajuste da quantidade 
de combustível fornecida ao motor. O controle é feito da seguinte forma: o 
regulador de velocidade é ajustado de forma a cortar fluxo de óleo sob pressão 
à velocidade desejada em ambos os lados do interior do cilindro de potência. Se 
a velocidade diminuir devido a uma perturbação, a redução da força centrífuga 
3Introdução aos sistemas de controle
do regulador fará com que a válvula de controle se mova para baixo e forneça 
mais combustível. Assim, a velocidade do motor aumentará até atingir o valor 
desejado. De forma similar, a válvula de controle se deslocará para cima e 
diminuirá o suprimento de combustível ao motor se a velocidade do motor 
aumentar além do desejado. Desse modo, a velocidade do motor será reduzida.
Sistema de controle de temperatura
O sistema ilustrado na Figura 2 é utilizado para o controle de temperatura de 
um forno elétrico. Porém, sistemas similares são aplicados a fim de manter 
determinada temperatura em qualquer espaço fechado.
Figura 2. Controle de temperatura de um forno elétrico.
Fonte: Adaptada de Ogata (2003, p. 4).
Termômetro
Aquecedor
Relé
Conversor
A/D
Amplif icador Interface
Entrada
programada
Interface
Forno
elétrico
Um termômetro mede a temperatura do ambiente – o forno, conforme o 
exemplo acima. Como o termômetro é um sensor analógico, o sinal gerado 
por ele deve ser convertido para o domínio digital por meio de um conversor 
A/D e enviado a um processador. Por sua vez, o processador é previamente 
programado para receber dados de temperatura e compará-los com a tempe-
ratura desejada. Em caso de divergência, o processador enviará sinais para o 
aquecedor do forno a partir de um amplificador e um relé, de modo que este 
aumente ou diminua sua temperatura.
Introdução aos sistemas de controle4
Em controladores digitais, é possível implementar uma interface de forma que o usuário 
possa ajustar a temperatura desejada e ler em um display a temperatura do forno (ou 
do ambiente que se deseje adequar a temperatura).
Outras aplicações
O sistema de distribuição de água é feito pela utilização de caixas d’água no 
terraço da edificação e reservatórios subterrâneos (cisternas) fornecem água 
para as caixas, em edifícios residenciais: o controle de nível de água visa 
evitar transbordamento das caixas e evitar que o abastecimento de água dos 
apartamentos se mantenha constante. 
Um elevador predial necessita de precisão e confiabilidade a fim de garantir 
a segurança dos passageiros. Para tal, utilizam-se estratégias de controle 
para manter as acelerações e desacelerações suaves e posicionar o elevador 
exatamente na porta do andar selecionado.
Em um braço robótico, numerosos atuadores são utilizados. Sistemas de 
controle são necessários para que o braço seja posicionado precisamente no 
local pretendido de forma a não danificar nenhuma ferramenta utilizada e 
seja movimentado em uma área limitada, caso necessário.
Sistemas em malha aberta e malha fechada
Sistemas em malha aberta
Os sistemas de controle em malha aberta são sistemas em que a saída não 
influencia o sistema. Em outras palavras, a saída não é mensurada para fins de 
comparação com a entrada ou uma referência. Além disso, nenhum ajuste é 
realizado para manter o sistema nos parâmetros desejados. A Figura 3 ilustra os 
sistemas de malha aberta e malha fechada sob a forma de diagrama de blocos. 
5Introdução aos sistemas de controle
Figura 3. Diagramas de bloco do controlede temperatura de sistemas em malha 
aberta e em malha fechada.
Fonte: Adaptada de Ogata (2003, p. 53-54).
Saída do
sistema
Saída do
sistema
Entrada do
sistema
Entrada ou
referência
Sinal de
erro
+
−
Sistema
Sistema
Essa aplicação é encontrada em aparelhos de ar-condicionado de janela, que 
se mantêm ligados na temperatura e na velocidade de ventilação ajustadas pelo 
usuário. O aparelho não recebe sinais de saída, ou seja, não verifica se a sala 
está bem condicionada. Portanto, sistemas em malha aberta são apropriados 
quando é impossível ou inviável realizar a leitura da saída do sistema. Para tal, 
recomenda-se a utilização de componentes de alta precisão e menos sujeitos a 
modificarem suas características com o tempo. Isso é importante porque esse 
tipo de sistema é sensível a mudanças e qualquer distúrbio pode levar o sistema 
a sair do estado desejado e não retornar. Além disso, menos componentes — e 
menos sensores — são utilizados em sistemas em malha aberta.
Por outro lado, é mais simples projetar e implementar sistemas em malha 
aberta. Além disso, são recomendados nos casos em que a estabilidade não é 
um fator necessário, uma vez que estabilidade é um a condição menos signi-
ficativa, como o exemplo do ar-condicionado de janela citado anteriormente. 
Ademais, sistemas de controle em malha aberta são de fácil manutenção e 
calibragem, ainda que estas costumem ocorrer mais frequentemente do que 
nos sistemas em malha fechada. 
Introdução aos sistemas de controle6
Sistemas em malha fechada
Os sistemas de controle em malha fechada, também chamados de sistemas 
com realimentação, são sistemas influenciados pela saída. Nesses sistemas, 
a saída é comparada à entrada do sistema, chamada de referência ou sinal 
desejado, e a diferença entre elas é chamada de erro. O sistema é projetado de 
forma a manter o erro próximo de zero, ou seja, o sistema mantém a saída no 
nível desejado. Os sistemas de controle em malha fechada não se restringem à 
engenharia. O corpo humano, por exemplo, também é um sistema que funciona 
com realimentação: a temperatura corporal e a pressão sanguínea se mantêm 
constantes por meio de realimentação fisiológica e, assim, mantêm o perfeito 
funcionamento do nosso organismo. O equilíbrio corporal também é um bom 
exemplo de realimentação fisiológica do corpo humano.
A maior vantagem dos sistemas em malha fechada, ao contrário dos siste-
mas em malha aberta, é a estabilidade e insensibilidade a distúrbios externos. 
Isso quer dizer que o sistema mantém a saída constante ou retorna para o 
valor desejado rapidamente. Por isso, são altamente vantajosos em casos de 
distúrbios e alterações não previsíveis nos componentes do sistema. Essa 
constância possibilita a utilização de componentes eletrônicos, como motores 
e atuadores, mais baratos e imprecisos. No entanto, os sistemas em malha 
fechada podem se tornar instáveis se oscilarem indefinidamente. Nesse caso, 
poderão levar a uma correção de erros imprecisa e causar grandes oscilações 
na saída do sistema.
Uma série de fatores deve ser levada em conta quando decidir entre projetar um 
sistema em malha aberta ou em malha fechada. Caso o sistema seja livre de distúrbios, 
componentes de alta precisão e confiabilidade devem ser utilizados. Além disso, se as 
entradas forem previamente conhecidas, será possível trabalhar em malha aberta. Por 
outro lado, sistemas em malha fechada serão utilizados sempre que corrigir o sinal de 
saída for necessário e mantê-lo em um nível desejado.
7Introdução aos sistemas de controle
1. Em um sistema de controle de 
velocidade de um motor de 
corrente contínua, o que deve 
acontecer quando o sensor detectar 
que o motor está girando mais 
devagar do que o desejado?
a) Aumentar a resistência de carga.
b) Aumentar a indutância de carga.
c) Aumentar a tensão de 
alimentação do motor.
d) Reduzir a tensão de 
alimentação do motor.
e) Desligar-se automaticamente.
2. Qual alternativa representa 
uma condição para a qual é 
recomendado um sistema de 
controle em malha aberta? 
a) Impossibilidade de 
mensurar a saída.
b) Presença de distúrbios externos.
c) Atuadores de baixa qualidade.
d) Necessidade de modificar a 
operação do sistema durante 
a operação.
e) Onde não seja possível 
intervenção humana 
durante a operação.
3. Um sistema de controle em 
malha aberta é apropriado para 
qual dos seguintes sistemas?
a) Braço robótico.
b) Chaleira elétrica.
c) Quadricóptero.
d) Impressora 3D.
e) Semáforo.
4. Qual alternativa representa 
uma vantagem de sistemas de 
controle em malha fechada?
a) Simplicidade.
b) Correção automática 
de distúrbios.
c) Livre de instabilidade.
d) Menor número de componentes.
e) Livre de manutenção.
5. Qual dos seguintes sensores 
é essencial para o controle 
de uma caldeira?
a) Acelerômetro.
b) Giroscópio.
c) Sonar.
d) Sensor de temperatura.
e) Câmera.
OGATA, K. Engenharia de controle moderno. 4. ed. Pearson: São Paulo, 2003.
Leituras recomendadas
DORF, R. C.; BISHOP, R. H. Modern control system. Menlo Park: Addison-Wesley, 1995.
Referência
Introdução aos sistemas de controle8
FRANKLIN, G. F.; POWELL, J. D.; NAEINI, E. Sistemas de controle para engenharia. 6. ed. 
Porto Alegre: Bookman, 2013.
KUO, B. C. Sistemas de controle automático. Rio de Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 1985.
NISE, N. S. Control systems engineering. 2. ed. Menlo Park: Addison-Wesley, 1995.
LATHI, B. P. Sinais e sistemas lineares. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2008.
GILAT, A. MATLAB® com aplicações em engenharia. 4. ed. Porto Alegre: Bookman, 2012.
9Introdução aos sistemas de controle
Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.