Aula 6 - Introdução aos Sistemas de Controle

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Aula 6 – Introdução aos 
Sistemas de Controle
Controle de Processos Contínuos e Discretos
ETEC ARMANDO PANNUNZIO - SOROCABA 27/04/2023
Prof. Rodrigo Pita Rolle
Introdução
• A engenharia de controle é baseada no princípio da realimentação,
com o objetivo de controlar determinadas variáveis de um sistema;
• Vamos rever alguns conceitos iniciais antes de continuar o nosso
estudo:
• Processo industrial – conjunto de atividades que objetivam atingir
uma meta (criar ou transformar uma determinada matéria/produto),
geralmente envolvendo procedimentos químicos, físicos e mecânicos;
• Variável de processo – qualquer grandeza ou condição de um
processo que seja passível de variação.
Introdução
• Controle de processos – técnicas para manter variáveis de um
processo (temperatura, pressão, vazão etc...) em valores
predeterminados, calculando correções através de instrumentos de
medição;
• Variável de processo – qualquer grandeza ou condução de um
processo que seja passível de variação;
• Variável controlada – variável sobre a qual o controle atua para
manter o comportamento desejado no processo;
• Variável manipulada – qualquer variável que seja possível de
manipulação e cause variação na variável controlada.
Introdução
Exemplo: suponha um tanque com uma entrada
de líquido regulada por uma válvula
• Variável controlada – nível do tanque;
• Variável manipulada – % de abertura da
válvula de restrição de fluxo.
O sistema controlará o nível do tanque através
do controle da quantidade de líquido que entra
no tanque!
Introdução
Exemplo 2: suponha um tanque onde se aquece
água através da circulação de vapor pela
serpentina lateral.
• Variável controlada – ?
• Variável manipulada – ?
Objetivos do controle de processos
• Adaptação a perturbações externas
• Aumento da estabilidade operacional
• Melhora nos resultados econômicos/eficiência da planta
• Otimização do uso de recursos e matéria-prima
• Segurança operacional e pessoal
Tipos de controle
Controle on-off
• Controle discreto, baseado em operações de liga ou desliga;
• Exemplo 1: controle da temperatura de geladeiras
• Se a temperatura estiver acima de M graus (muito quente), o motor é 
ligado para iniciar o resfriamento;
• Se a temperatura estiver abaixo de N graus (muito frio), o motor é 
desligado até que o interior aqueça novamente.
• Modelo elementar e discreto!
Tipos de controle
Controle on-off
• Controle discreto, baseado em operações de liga ou desliga;
• Exemplo 2: controle de aquecedores de ambiente
Tipos de controle
Controle realimentado (feedback)
• O valor de uma variável controlada é medido com um sensor e 
comparado a um valor de referência (setpoint);
• A diferença entre o setpoint e o valor atual da variável é utilizada 
para calcular a ação de controle.
Controle antecipativo (feedforward)
• Este tipo de controle busca antecipar a ocorrência de perturbações 
e agir antes que o erro aconteça;
• Exige um modelo matemático do processo que calcule as relações 
entre as perturbações e seus efeitos na variável controlada.
Diagrama de blocos
• Forma esquemática para a análise dos sistemas de controle;
• Apresenta uma abstração das funções desempenhadas por cada 
componente e um fluxo de sinais;
• As setas identificam a direção da informação, o bloco representa a 
operação a ser aplicada:
Diagrama de blocos
• No diagrama de blocos, o sistema é uma “caixa-preta”, onde não 
conhecemos os detalhes internos, mas as relações entre as 
entradas e saídas;
• No diagrama de blocos estão os principais componentes de um 
sistema e os fluxos de sinais;
• A partir destes diagramas, podemos estudar as dependências entre 
as variáveis que interessam à cadeia de controle.
Diagrama de blocos
• Neste diagrama, o controlador gera o sinal de controle que atua 
sobre o processo a fim de diminuir o erro;
• O processo está sujeito a perturbações externas (distúrbios).
Controle em malha aberta
• O sinal de entrada é um sinal predefinido, baseado em experiências 
passadas;
• A partir do sinal de entrada e das experiências históricas, espera-se 
que a saída corresponda a um determinado valor;
• Não há informação de realimentação para verificar se a saída 
realmente corresponde ao valor esperado!
Controle em malha aberta
Componentes de um sistema em malha aberta:
• Controlador – elemento de controle que envia sinais ao processo, 
conforme a programação predefinida, para obter a saída desejada;
• Processo – sistema no qual a variável é controlada.
Controle em malha aberta
Exemplo: descongelamento do micro-ondas:
• A função “descongelar” faz o micro-ondas 
funcionar por um tempo pré-determinado;
• O equipamento não é capaz de identificar se o 
descongelamento realmente foi feito;
• O usuário é quem deve retirar o alimento e 
verificar se realmente está descongelado;
• São sistemas simples de baixo custo, mas 
imprecisos porque não há realimentação.
Controle em malha fechada
• O sinal de saída do processo é realimentado e comparado com o 
sinal de entrada continuamente, para gerar um sinal corrigido que é 
repassado ao controlador;
• A ação de controle é calculada de acordo com a relação entre o 
setpoint e o valor atual da saída:
Controle em malha fechada
Componentes de um sistema em malha fechada:
• Comparador – compara o valor de referência com o valor atual do 
processo e gera o sinal de referência para o controlador;
• Controlador – determina a ação de controle com base no sinal 
recebido do comparador;
• Atuador – atua sobre a variável manipulada para corrigir o erro;
• Processo – sistema no qual a variável é controlada;
• Sensor – lê a variável controlada na saída do processo e repassa 
essa informação ao controlador
Controle em malha fechada
• Vantagens: compensação de erros, saída constante e robustez 
(menor sensibilidade a distúrbios);
• Desvantagens: mais caro e complexo.
Controle em malha fechada
Exemplo: uma pessoa tomando banho:
• O chuveiro elétrico produz uma quantidade fixa de 
energia térmica que aquece a água;
• A variável controlada é a temperatura da água;
• A variável manipulada é a vazão de água;
• O sensor é a pele da pessoa em contato com a água;
• O atuador é a mão da pessoa regulando o registro;
• O controlador é o cérebro da pessoa que calcula o 
quanto ela deve abrir ou fechar o registro.
Perturbações
• As perturbações são variações inesperadas e indesejáveis nos 
sistemas de controle;
• Grandes variações na saída do processo podem ocorrer após a 
alteração brusca do setpoint ou a aplicação de uma nova entrada no 
sistema;
• Espera-se que o comportamento da saída volte a se estabilizar após 
um determinado tempo.
Regime Transitório e Permanente
Na análise de sistemas de controle, consideramos dois “momentos” de 
operação:
• Regime transitório - é analisado a partir do instante em que se 
aplica uma variação em sua entrada até o instante em que o sistema 
não varia mais (ou varia pouco);
• Regime permanente - é o período a partir do qual a variável 
controlada converge para um valor ou comportamento 
aproximadamente constante.
Regime Transitório e Permanente
Na análise de sistemas de controle, consideramos dois “momentos” de 
operação:
• Regime transitório - é analisado a partir do instante em que se 
aplica uma variação em sua entrada até o instante em que o sistema 
não varia mais (ou varia pouco);
• Regime permanente - é o período a partir do qual a variável 
controlada converge para um valor ou comportamento 
aproximadamente constante.
Regime Transitório e Permanente
Na análise de sistemas de controle, consideramos dois “momentos” de 
operação:
Estabilidade
• O principal objetivo de qualquer sistema de controle é que ele 
funcione de maneira estável;
• Sistemas em malha aberta sempre são estáveis;
• Nos sistemas de malha fechada, uma ação de controle mal 
projetada pode levar o sistema à instabilidade!
Estabilidade
BIBO-estabilidade
• Bounded Input – Bounded Output
• Entrada limitada – Saída limitada
•De acordo com este conceito, um sistema é estável se, para todo 
sinal de amplitude limitada na entrada, houver um sinal de saída 
com amplitude também limitada.
Estabilidade
BIBO-estabilidade - Exemplo
• Controle de nível de um tanque 
• Entrada: vazão de água; 
• Saída: nível
• A vazão de saída Qs é dada em função do 
nível de água L: 𝑄𝑠 = 𝑘 . 𝐿
• Enquanto as vazões de entrada e saída forem 
iguais, o nível L será constante;
• Se houver uma mudança repentina na entrada, 
o nível se estabilizará em outro patamar algum 
tempo depois
Estabilidade
BIBO-estabilidade - Exemplo
• Controle de nível de um tanque 
• Entrada: vazão de água; 
• Saída: nível
• Se colocarmos uma bomba de vazão 
constante na saída que limite a vazão Qs, 
o nível não se estabilizará;
• A alteração no processo levou-o à 
instabilidade.