1 - Introdução Sistemas de Controle (SITE UNIP)

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Material de Apoio – Apostila Sistemas de Controle 
Profº Ademir A. Santos 
 
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UNIVERSIDADE PAULISTA
 
 
 
 
UNIVERSIDADEPAULISTA 
 
CURSO: ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO 
(MECATRÔNICA) 
 
DISCIPLINA: TEORIA DE CONTROLE 
 
PROFº: ADEMIR A. SANTOS 
 
Parte 1 
 
Introdução aos Sistemas de Controle 
(SITE UNIP) 
 
 
SÃO PAULO, 2022 
 
 Material de Apoio – Apostila Sistemas de Controle 
Profº Ademir A. Santos 
 
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Sumário 
 
1 – INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE CONTROLE .............................................................. 3 
1.1 - O Problema do Controle – Por Que Controlar? ..................................................................... 3 
1.2 - Terminologia do Controle........................................................................................................... 4 
1.3 - Classes de Sistema de Controle ............................................................................................. 6 
1.4 - Malhas abertas ou malhas fechadas? ..................................................................................... 7 
1.5 - Termos técnicos e conceitos ..................................................................................................... 8 
 
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1 – INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE CONTROLE 
 
1.1 - O Problema do Controle – Por Que Controlar? 
 
De forma resumida, o controle visa garantir que uma variável de saída de um sistema físico ou 
processo chamado comumente de resposta, seja ajustado adequadamente por meio de um sinal de 
erro. Este sinal de erro é constituído da diferença entre resposta do sistema, medida por um sensor, 
e o sinal de referência, que apresenta a resposta desejada. 
Desta forma o engenheiro de Controle e Automação deve projetar controladores responsáveis pela 
modificação do sinal de erro, de forma a garantir o alcance de critérios de desempenho determinados 
a priori. 
Geralmente os critérios de controle contemplam: 
 
• Rejeição a distúrbios; 
 
• Erro em regime estacionário; 
 
• Características da resposta transitória; 
 
• Sensibilidade a mudanças de parâmetros na planta de controle. 
 
Cabe ao engenheiro de Controle e Automação: 
 
• Escolher sensores adequados para a medição da saída da planta; 
 
• Escolher os atuadores que comandarão a planta; 
 
• Desenvolver modelos para a planta, sensores e atuadores; 
 
• Projetar o controlador com base nos modelos obtidos e no critério de controle; 
 
• Avaliar o projeto analiticamente via simulação, e posteriormente testar o sistema físico. Se os 
resultados obtidos forem insatisfatórios, repetir a operação. 
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Os modelos obtidos para as plantas, sensores e atuadores geralmente possuem simplificações, de 
modo que a resposta esperada não é atingida no sistema físico. Assim, o processo de criação de um 
sistema de controle é iterativo. A cada iteração, o projetista incorpora modificações que visam 
aprimorar o desempenho do sistema e então verifica os resultados. Estes relacionamentos são 
ilustrados na figura 1.1. 
 
 
Figura 1.1: Solução matemática de sistemas físicos 
 
Na prática as fases de maior dificuldade são a de formulação matemática do problema, ou seja, a 
construção do modelo, e a tradução da solução matemática deste modelo em um sistema físico. 
 
1.2 - Terminologia do Controle 
 
Faz-se necessário a compreensão de alguns termos comumente usados na área de controle de 
 processos. São eles: 
 
• PROCESSO: Série de ações controladas objetivando uma meta. 
• DISTÚRBIO: Sinal que tende a afetar adversamente o valor de saída de um sistema. Pode ser 
interno ou externo ao sistema. 
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• SERVOMECANISMOS: Sistema de controle realimentado no qual a saída é alguma posição, 
velocidade ou aceleração. O termo servomecanismo é sinônimo de sistema de controle de 
posição, velocidade ou aceleração. 
• SISTEMA: Uma combinação de componentes que agem em conjunto no desempenho de uma 
função que seria impossível para qualquer das partes isoladamente. Difere de uma planta por 
não ser limitado por elementos físicos. 
• SISTEMA EM MALHA FECHADA: É um sistema na qual alguns sinais de excitação (entrada) são 
determinados, em parte, por certas respostas (saídas) do sistema. Portanto, as entradas do 
sistema são funções de suas saídas. 
 
Figura 1.2: Sistema em malha fechada 
 
 
• SISTEMA EM MALHA ABERTA: É um sistema complementar ao de malha fechada, ou seja, suas
 entradas não são funções de suas saídas. 
• SENSOR: Dispositivo de detecção ou medição de variáveis do processo. São exemplos de senso
res os termopares, medidores de pressão, de temperatura, de nível, de massa específica, de 
vazão, encoders, tacômetros, etc. 
• VARIÁVEL CONTROLADA: Grandeza a ser controlada medida pelo sensor. 
 
 
Figura 1.3: Variável controlada e sensor 
 
 
• PLANTA: Qualquer objeto físico (equipamento ou parte dele) a ser controlado. 
• ATUADOR: Dispositivo de acionamento. São exemplos de atuadores as bombas, válvulas 
(hidráulicas, elétricas ou pneumáticas), motores, chaves, etc. 
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• VARIÁVEL MANIPULADA: Grandeza que é variada pelo atuador de modo a afetar o valor da 
variável controlada. 
 
 
Figura 1.4: Atuador, planta e variável manipulada. 
 
• CONTROLADOR: Dispositivo que, a partir do sinal de erro, determina o sinal de comando para 
o atuador, de forma a manter a variável controlada no valor desejado. 
• CANAL DIRETO: A unidade que reage ao sinal atuante a fim de produzir a resposta desejada. 
• RESPOSTA: Grandeza que deve acompanhar o sinal de controle. 
• CANAL DE RETROAÇÃO: Unidade que propicia o meio de retroação de resposta. 
• GANHO DO SISTEMA: Relação entre a saída e a entrada de um sistema. 
 
 A forma geral de um sistema de controle em malha fechada é a vista na figura 1.5. 
 
Figura 1.5: Sistema de controle típico em malha fechada 
 
De posse de modelos coerentes para o atuador, a planta e o sensor, são necessários o projeto de 
 um controlador para que um sistema em malha fechada exiba as características de desempenho 
desejadas. 
 
1.3 - Classes de Sistema de Controle 
 
Os sistemas de controle são, em geral, divididos em duas classes. Se o objetivo do sistema de controle 
é manter uma variável a um valor constante, mesmo na presença de distúrbios, o sistema é 
denominado regulador. Um exemplo de sistema regulador é o sistema de controle de velocidade dos 
geradores AC das centrais elétricas. A meta do controle é manter a velocidade no valor constante que 
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resulta em uma tensão elétrica gerada com freqüência de 60 Hz. Outro exemplo de regulador é o 
sistema biológico que mantém a temperatura do corpo humano em aproximadamente 36°C em 
ambientes que geralmente estão submetidos a temperaturas diferentes. 
A segunda classe de sistemas de controle incorpora os servomecanismos, nos quais é desejável que 
uma variável siga uma função do tempo pré-determinada. 
Um exemplo deste tipo de sistema é o sistema automático de aterrissagem de aeronaves, no qual a 
aeronave segue um padrão de altitude até o ponto de contato desejado. 
 
1.4 - Malhas abertas ou malhas fechadas? 
 
Diversas atividades do cotidiano envolvem o ser humano como parte de um sistema de controle em 
malha fechada. Uma pessoa dirigindo um veículo está constantemente “medindo” a posição e a 
direção do veículo. Se elas não são satisfatórias basta tomar as ações corretivas necessárias. Outro 
exemplosimples é uma pessoa desenhando: ela está constantemente observando a posição do lápis, 
na tentativa de produzir o traçado desejado. Um goleiro de futebol também é parte de um sistema de 
controle em malha fechada. Ele deve controlar a posição de suas mãos de forma a evitar que a bola 
ultrapasse pela meta defendida por ele. 
Mas, como entender o conceito de malha aberta? Basta imaginar uma pessoa desenhando com os 
olhos vendados. Não existe a observação (medição) do estado atual da saída (posição do lápis), de 
forma que qualquer correção para o estado desejado é quase impossível. 
Um exemplo simples de sistema em malha aberta é o controle de velocidade de rotação de uma 
furadeira manual, executado pela pressão (maior ou menor) exercida pelo operador no gatilho. 
Deve-se notar que, para a mesma pressão no gatilho a velocidade de rotação na furadeira quando 
submetida ao esforço (pela superfície a ser perfurada) é menor do que aquela que seria desenvolvida 
na ausência de esforço. Em outras palavras, não há influência da saída capaz de alterar a entrada de for
ma a manter a velocidade de rotação constante. 
Na prática esta correção é executada pelo operador que aumenta a pressão no gatilho quando percebe
 a diminuição de velocidade de rotação. 
Os sistemas em malha aberta apresentam baixo custo e são de fácil construção. Em contrapartida, 
possuem alta sensibilidade a distúrbios externos e variáveis de comportamento de seus componentes. 
Já os sistemas de controle em malha fechada apresentam custo relativamente elevado; no entanto, 
rejeitam os distúrbios externos e são capazes de adaptar-se a mudanças de comportamento de seus 
componentes. 
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1.5 - Termos técnicos e conceitos 
 
A seguir temos algumas definições de termos técnicos e conceitos. 
 
Automação: O controle de um processo por meios automáticos. 
Automóvel de combustível híbrido Um automóvel que usa um motor de combustão 
interna convencional combinado com um dispositivo de armazenamento de energia 
como sistema de propulsão. 
Complexidade de projeto O padrão intrincado de partes entremeadas e 
conhecimento necessário. 
Controle embarcado Sistema de controle com realimentação que utiliza 
computadores digitais de propósito específico embarcados como componentes 
integrais da malha de realimentação. 
Desvio de projeto Um desvio entre o sistema físico complexo e o modelo de projeto, 
intrínseco da progressão do conceito inicial até o produto final. 
Especificações Declarações que explicitamente expressam o que o dispositivo ou 
produto deve ser e fazer. Um conjunto de critérios de desempenho 
preestabelecidos. 
Mecatrônica A integração sinérgica de sistemas mecânicos, elétricos e 
computacionais. 
Otimização O ajuste dos parâmetros para obter-se o projeto mais favorável ou 
vantajoso. 
Perturbação Um sinal de entrada não desejado que afeta o sinal de saída 
Planta Veja Processo. 
Processo O dispositivo, planta ou sistema sendo controlado. 
Produtividade A razão entre a saída física e a entrada física de um processo 
industrial. 
Projeto O processo de concepção ou invenção de formas, partes e detalhes de um 
sistema para atingir um propósito específico. 
Projeto de engenharia O processo de projeto de um sistema técnico. 
Realimentação negativa Um sinal de saída realimentado de modo que ele seja 
subtraído do sinal de entrada. 
Realimentação positiva Um sinal de saída realimentado de modo que ele 
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seja somado ao sinal de entrada. 
Regulador de esferas Um dispositivo mecânico para controlar a velocidade de 
um motor a vapor. 
Risco Incertezas incorporadas nas consequências não intencionais de um projeto. 
Robô Computadores programáveis integrados com um manipulador. Um manipulador 
reprogramável, multifuncional usado para uma variedade de tarefas. 
Ruído de medida Um sinal de entrada não desejado que afeta a medida do sinal de 
saída. 
Sinal de realimentação Uma medida da saída do sistema usada para realimentação 
para controlar o sistema. 
Síntese O processo pelo qual novas configurações físicas são criadas. A combinação 
de elementos ou dispositivos separados para formar um todo coerente. 
Sistema Uma interconexão de elementos e dispositivos para um determinado 
propósito. 
Sistema de controle Uma interconexão de componentes formando uma configuração 
de sistema que irá fornecer uma resposta desejada. 
Sistema de controle com realimentação com múltiplas malhas Um sistema de 
controle com realimentação com mais de uma malha de controle com realimentação. 
Sistema de controle com realimentação em malha fechada Um sistema 
que usa uma medida da saída e a compara com a saída desejada para controlar o 
processo. 
Sistema de controle em malha aberta Um sistema que usa um dispositivo 
para controlar o processo sem usar realimentação. Desse modo a saída não tem 
efeito sobre o sinal para o processo. 
Sistema de controle multivariável Um sistema com mais de uma variável de entrada 
ou mais de uma variável de saída. 
Solução de compromisso O resultado de uma decisão de compromisso entre 
critérios conflitantes.