Instrumentação e Controle_1

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Q1) Ex. 1: resolver e entregar resposta dos itens a, b, e.
Ex. 1 - Entrada e Saída
(a) Identifique a entrada e a saída para uma máquina automática de lavar.
Geralmente as máquinas de lavar iniciam seu funcionamento quando a quantidade apropriada do produto de limpeza é colocada no compartimento e assim é liberada a água sob as roupas que necessitam ser lavadas. Para que esse procedimento possa ser realizado, é fixada a programação para lavar e centrifugar com base no temporizador, para que assim a máquina seja energizada e ao final do procedimento ela seja desligada. Levando em consideração que as quantidades dos produtos de limpeza e água são pré-estabelecidas pelo fabricante, temos que a entrada será o tempo para que o ciclo de lavagem e centrifugação seja concluído, onde este temporizador é ajustado pelo usuário do equipamento.1
Para identificar qual a saída de uma máquina de lavar automática, devemos levar em conta alguns parâmetros e definições. Se definirmos que a peça de roupa estará limpa quando esta não possuir mais nenhum elemento estranho (sujeira), a saída pode ser definida como a porcentagem de limpeza da peça. E assim, com base nesses aspectos determinados, a saída será menor que 100% no início de um ciclo, já que a peça de roupa está inicialmente suja, e idealmente será 100% quando o ciclo for finalizado, já que a peça deve estar limpa.1 
(b) Identifique os componentes entrada e saída e descreva a operação de um sistema de controle biológico, consistindo em um ser humano que tenta apanhar um objeto.
Com base na Figura 1, podem ser determinados quais os componentes básicos desse sistema de controle de forma simplificada, onde são estes: olhos, mão, braço e o cérebro, bem como o sentido de fluxo da informação, indicado pelas linhas tracejadas, e explicados a seguir. Inicialmente o cérebro envia um sinal para o braço e a mão a partir do sistema nervoso central para que estes apanhem o objeto desejado. Posteriormente, esse sinal é amplificado nos músculos que geram potência no sistema. Finalmente, os olhos são responsáveis por determinar qual deve ser a posição da mão para que o objeto seja apanhado, sendo este então um dispositivo sensível.1 
Com base nessas definições pode-se determinar que a posição do objeto é a entrada do sistema e a posição da mão será a saída, onde o objetivo do sistema de controle é reduzir a zero a distância entre a posição da mão e do objeto, ou seja, permitir que ele seja apanhado.1 
Figura 1 – Diagrama esquemático do funcionamento do corpo humano quando pretende-se apanhar um objeto.
Fonte: Joseph J. Distefano, 2014. 
(e) identifique uma entrada e a saída para uma máquina elétrica e automática de café. Este sistema é de malha aberta ou de malha fechada?
Com base no processo conhecido de produção de um copo de café a partir de uma máquina automática, pode-se definir que a entrada é a quantidade de café usada, onde geralmente esta pode ser selecionada a partir do produto que se deseja consumir, ou seja, café fraco, médio ou forte, e determina o tempo de preparação do produto. Como saída desse sistema, tem-se que será o tipo de café selecionado para o consumo. Por se tratar de um sistema simples onde os comandos são realizados durante a entrada, este é classificado como um sistema de malha aberta.1
Q2) Ex. 2: resolver e entregar resposta dos itens a, c, f.
Ex. 2 - Os sistemas seguintes podem ser descritos por um diagrama de blocos mostrando a relação causa-efeito e a retroação (se presente). Identifique a função de cada bloco e a variável de entrada desejada, a variável de saída e a variável medida. Use a Figura 2 como modelo onde for apropriado.
Figura 2 - Diagrama de blocos de um sistema com retroação negativa descrevendo um sistema de controle básico de malha fechada.
(a) suponha que se tem um tanque de lavar roupa. O tanque tem uma entrada para água, um seletor para encher ou esvaziar a água do tanque, um temporizador de 3, 6, 12 e 15 minutos. Descreva com suas palavras como seria o processo de lavar e enxugar a roupa neste tanque não automático. Este sistema é de malha aberta ou malha fechada? Se fosse um sistema de malha fechada, quem ou o que fecha essa malha? Observação: A lava roupa não tem compartimento para sabão nem para amaciante.
Inicialmente as roupas seriam colocadas no tanque. Em seguida o detergente/alvejante seria colocado sob as peças (já que não há um compartimento para colocá-lo), e então seria ajustado o nível da água conforme a quantidade de roupa (a água deve cobrir todas as peças). Para lavar, deveria apontar o seletor para encher, e assim que o tempo for finalizado, apontá-lo para a opção de esvaziar o tanque para enxugar as roupas. Em seguida, deve ser selecionado o tempo desejado no temporizador. Todos os parâmetros são definidos de forma manual e sabendo-se dessas informações, tem-se que o sistema é de malha aberta, visto que a ação de controle é independente da saída, e ainda, ele é controlado por um temporizador, no qual o tempo é determinado pelo usuário, sendo um sistema mais simples.
Se este fosse um sistema de malha fecha, deveria haver a existência de válvulas as quais controlariam o tempo há partir do ciclo de lavagem escolhido, como determinado no exercício f desta lista, entretanto, no sistema dado, o temporizador fecharia essa malha caso este seja um sistema de malha fechada, já que a partir dele pode-se reiniciar o sistema, selecionando um novo tempo de lavagem caso perceba-se que o previamente selecionado não tenha sido suficiente. 
Na Figura 3 abaixo, pode ser observado o diagrama de blocos para esse sistema de malha aberta, no qual a entrada é a porcentagem de limpeza desejada, o controlador seria o usuário do tanque, o temporizador é o atuador, já que ele recebe o comando do controlador e faz com que o equipamento funcione pelo tempo pré-estabelecido, a planta é definida pelo tanque e finalmente a saída é a porcentagem de limpeza real. 
Figura 3 - Diagrama de blocos do sistema de malha aberta para o tanque de lavar roupa.
(c) descreva o diagrama de blocos do sistema de controle de velocidade de uma motocicleta com um motorista humano.
	A entrada do sistema estudado é a velocidade desejada, enquanto a saída é a velocidade real. O controlador do sistema é o motorista humano, já que ele é capaz de tomar a decisão acerca do aumento ou diminuição da velocidade da motocicleta. O motor é o atuador, que recebe o comando do controlador a partir do acelerador atuando na planta, definida aqui como a motocicleta, para controle de velocidade. Finalmente, o sensor será o velocímetro, responsável por medir e detectar a saída, ou seja, o valor de velocidade real atingido. 
	Na Figura 04, pode ser observado o diagrama de blocos desse sistema com os elementos explicados anteriormente. 
Figura 04 – Diagrama de blocos do sistema de malha fechada da velocidade de uma motocicleta com um motorista humano.
(f) explique como uma máquina automática de lavar de malha fechada pode operar. Suponha que todas as quantidades descritas como entradas possíveis a saber: ciclo, tempo, volume de água, temperatura de água, quantidade de detergente, quantidade de alvejante, podem ser ajustados por dispositivos tais como válvulas e aquecedores.
	Inicialmente as roupas são colocadas na máquina de lavar. Em seguida o detergente/alvejante é colocado no compartimento, então é ajustado o nível da água conforme a quantidade de roupa (a água deve cobrir todas as peças). O ciclo deve ser escolhido conforme o tipo de roupa a ser lavada onde este é diretamente relacionado ao tempo e velocidade do processo de lavagem. A máquina enche de água, solta o detergente/alvejante nas roupas e bate de acordo com o ciclo. Após o final do tempo, a máquina solta a água, enxágua as peças de roupa, enche novamente, solta o detergente/alvejante, deixa de molho e solta a água de novo para centrifugar e tirar o excesso de água, para finalmente desligar. 
	A entrada do sistema estudado é a porcentagem de limpeza desejada para as roupas, enquanto a saída é a porcentagemde limpeza real. O controlador do sistema é o usuário, já que ele é capaz de tomar a decisão acerca do ciclo, volume de água e quantidade de detergente/alvejante. As válvulas são os atuadores, que recebem o comando do controlador atuando na planta, definida aqui como a máquina de lavar, para controle do nível de água, despejo do detergente/amaciante, tempos e velocidades dos ciclos. Finalmente, o sensor será novamente determinado pelas válvulas, responsáveis por medir e detectar a saída, ou seja, completar o ciclo de lavagem com todas as características pré-estabelecidas. 
	Na Figura 05, pode ser observado o diagrama de blocos desse sistema com os elementos explicados anteriormente.
 
Figura 05 – Diagrama de blocos de um sistema de malha fechada de uma máquina de lavar roupas automática.
Q3) Ex. 15 (somente este). Sabe-se que o sistema de sinalização para veículos em um cruzamento é um sistema de controle em malha aberta. Como pode-se fazer que este sistema seja de malha fechada da maneira mais econômica possível. Se for possível, faça um orçamento para a sinalização em malha fechada de UM cruzamento.
	Para que esse sistema possa ser de controle em malha fechada, muitos locais já se utilizam dos chamados “semáforos inteligentes”, os quais funcionam em sua parte mais básica como um semáforo comum. Há luzes de LED nas cores vermelha, amarela e verde. Entretanto, nos modelos tradicionais, há um controle que permite estabelecer a temporização, ou seja, quanto tempo determinada luz ficará acesa, sendo programada com antecedência e variando ao longo do dia. Para que sejam determinadas, os órgãos operadores de tráfego analisam as questões de variação de fluxo de carros, congestionamento, e outros fenômenos que interferem na circulação. Os semáforos inteligentes são capazes de se adaptar às condições de trânsito em tempo real. Para tal, há um sistema de sensoriamento que pode contar com câmeras de processamento de imagem e sensores eletromagnéticos instalados no asfalto para coletar os dados que são analisados por um sistema de controle computadorizado e, a partir daí, há uma variação na temporização das luzes, para que o semáforo mude de forma sincronizada com outros da região, sendo essa etapa a que define o sistema em malha fechada, com a utilização de sensores que estão diretamente ligados à saída desejada.2
	Como exemplo, temos que em um cruzamento entre uma rua com tráfego intenso e outra com tráfego mais tranquilo, um conjunto de semáforos comuns tende a priorizar o tempo de abertura maior para a rua mais movimentada. Entretanto, se a rua menos movimentada passasse a ter um tráfego mais acentuado, poderia haver a formação de um congestionamento que pode ser solucionado com a utilização dos semáforos inteligentes, já que o fluxo de veículos ficaria organizado quando ele adaptasse o período de acionamento de cada luz em tempo real.2 
	Segundo notícia publicada no site da Globo, em 2017, Cuiabá instalou semáforos inteligentes em suas ruas, com um custo de R$15,4 milhões contando a compra e instalação. O contrato assinado com a empresa SEMEX S.A, com sede no México, instalou pelo menos 40 equipamentos. Além disso, o contrato continha um custo de R$732 mil para estudo de engenharia para implantação dos equipamentos, escavação nos locais com custo de R$36 mil e R$7,9 mil para demolição asfáltica. Com base nisso, pode-se notar o elevado custo para utilização dessa tecnologia e assim, contando que cada cruzamento possui em média 4 semáforos, e levando em conta todos os gastos supracitados, há um custo de cerca de R$1,54 milhão de reais.3
Referências Bibliográficas 
 
[1] Joseph J. Distefano. Sistemas de Controle. 2ª Edição. Editora Bookman. 2014. 
 
[2] Tecnologias para o Trânsito Seguro – ITTS. Publicado em 10 de agosto de 2020 às 11h04. Acesso em: 30 de maio de 2021. Disponível em: <http://transitolivre.org.br/como-funcionam-os-semaforos-inteligentes/>. 
[3] Semáforos inteligentes devem começar a ser instalados em Cuiabá na segunda-feira. Globo, G1. Publicado em 09 de novembro de 2017 às 14h44. Acesso em: 30 de maio de 2021. Disponível em: https://g1.globo.com/mato-grosso/noticia/semaforos-inteligentes-devem-comecar-a-ser-instalados-em-cuiaba-na-segunda-feira.ghtml.