Sistemas operando em malha fechada com realimentação negativa

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Sistemas de controle em malha fechada 
Como você já sabe, um sistema de controle tenta impor às variáveis de saída um 
determinado comportamento, cujas referências são as variáveis de entrada. Em um sistema de 
controle com realimentação, a variável de saída é comparada continuamente com a referência, 
que é a variável de entrada, a fim de detectar e corrigir eventuais desvios do comportamento 
previsto para o sistema. Assim, as variáveis de entrada também são denominadas variáveis de 
referência do sistema de controle. As variáveis de saída são chamadas de controladas. 
Segundo Maya e Leonardi (2014), os sistemas de controle com realimentação podem 
ser classificados em: 
Sistema regulador: a variável de saída deve manter um valor constante, igual ou 
proporcional ao valor fixo de referência da variável de entrada. São comuns os reguladores de 
velocidade, de temperatura, de nível líquido em um reservatório etc. 
 Sistemas rastreadores ou de acompanhamento (tracking systems): as variáveis de 
saída devem seguir ou acompanhar as variáveis de entrada. São exemplos os servomecanismos, 
os sistemas que procuram perseguir um alvo móvel ou uma posição variável de referência. Um 
sistema de controle realimentado é aquele que tende a manter uma relação prescrita entre 
entrada e saída de referência, comparando-as e utilizando a diferença como um meio de 
controle (OGATA, 2010). 
Os sistemas de controle com realimentação também são denominados sistemas de 
controle em malha fechada. E, como já vimos, os sistemas sem realimentação são chamados 
sistemas de controle em malha aberta. As desvantagens dos sistemas a malha aberta são, 
especificamente, a sensibilidade a perturbações e a incapacidade de corrigir os efeitos dessas 
perturbações. Essas deficiências podem ser superadas nos sistemas de malha fechada. A 
arquitetura de um sistema de malha fechada é mostrada na Figura 1. 
 
 
 
 
 
 
O transdutor de entrada converte a entrada para o formato usado pelo controlador. A 
resposta de saída é medida por um transdutor ou sensor, e convertida no formato lido pelo 
controlador. 
Vantagens e desvantagens dos sistemas em malha fechada 
Vantagens: O sistema de malha fechada compensa perturbações por meio da medição da 
resposta de saída, transmitindo essa medição por um canal de retroação para comparar essa 
resposta com a entrada na junção de adição. Se houver alguma diferença entre as duas 
respostas, o sistema agirá sobre a planta para fazer a correção por meio do sinal atuante. Caso 
não haja diferença, o sistema não agirá sobre o processo. Desse modo, uma das principais 
vantagens dos sistemas em malha fechada, sobre os em malha aberta, é a precisão. E, ainda, 
são menos sensíveis a ruídos, a perturbações e a mudanças nas condições ambientais. Nos 
sistemas em malha fechada, é possível o controle da resposta transitória e do erro de estado 
estacionário de forma mais conveniente e com maior flexibilidade. Isso é feito, na maioria das 
vezes, por meio de um ajuste de ganho (amplificação) na malha, ou reprojetado o controlador. 
Desvantagens: Chamamos de reprojeto a compensação do sistema e o hardware 
resultante como compensador. Contudo, é possível perceber que os sistemas de malha fechada 
são mais complexos e caros comparados aos sistemas de malha aberta (NISE, 2002). Veja a 
comparação entre sistemas de controle programados e sistemas de controle com realimentação 
(MAYA; LEONARDI, 2014):  Sistema programado: sistema de pontaria de uma luneta fixa em 
terra firme, para acompanhar a posição de uma estrela. Uma vez que a astronomia permite 
determinar com exatidão a posição da estrela em cada instante, o sistema pode ser programado 
para posicionar a luneta em função do tempo.  Sistema de controle em malha fechada: sistema 
de pontaria de uma luneta situada em uma base móvel (em uma boia em alto-mar, por exemplo) 
para rastrear a posição de uma estrela. Os desvios de pontaria da luneta devidos às ondas são 
detectados com auxílio da realimentação e corrigidos pelo sistema. 
Realimentação negativa 
Um sistema tem realimentação quando mede uma variável em sua saída e faz sua 
correção na sua entrada, com base nessa medição. Realizar uma realimentação, então, é a 
operação de medir na saída e atuar na entrada. Por exemplo, em um controle de vazão, o 
elemento sensor é colocado depois da válvula de controle, para não provocar distúrbio na 
medição que é feita na entrada do processo, e a atuação, na saída do processo. 
A realimentação pode ser positiva ou negativa. 
 Quando a atuação no processo é feita para aumentar o desvio entre a medição e o ponto 
de referência, a realimentação é positiva. É feita uma medição e comparada com um valor de 
referência e, então, se atua no processo. Quando a medição for maior que o ponto de ajuste, 
atua-se para aumentar a medição e, quando for menor, atua-se para diminuir a medição. Uma 
malha apenas com realimentação positiva leva o sistema ou para o mínimo ou para o máximo. 
 Em controle de processo, a realimentação predominantemente positiva ou não 
apresenta nenhuma vantagem prática. Para fins de balanceamento, nos circuitos dos 
controladores tem-se a realimentação positiva acompanhada da realimentação negativa. 
Nas malhas fechadas de controle, normalmente, é utilizado o princípio de realimentação 
negativa. A realimentação negativa estabiliza o processo e diminui o seu ganho. Podemos dizer 
que há cinco partes essenciais em um sistema de controle com malha de realimentação 
negativa: 
 o meio de medição pode ser o elemento sensor ou o transmissor com um elemento 
sensor, eleva um sinal proporcional ao valor da variável; 
 o mecanismo de comparação entre o valor da variável medida e o ponto de referência 
estabelecido de modo arbitrário, manual ou remotamente; 
  o controlador do processo, que gera automaticamente um sinal analógico, que é uma 
função matemática do erro detectado (diferença entre medição e ponto de ajuste); 
 o elemento final de controle, que manipula a variável que influencia na variável 
controlada, recebendo o sinal da saída do controlador; 
  o processo, que é o motivo da existência da malha de controle. 
 
Há duas realimentações negativas na malha de controle:  Na malha externa de controle: 
é feita a medição da variável controlada e comparada com uma referência externa do 
controlador e gera-se uma ação corretiva que vai para o elemento final de controle.  No circuito 
interno do controlador: é recebida a medição da variável controlada, comparada com o ponto 
de ajuste de referência e a entrada do controlador é realimentada para estabilizar com sua saída 
em um valor finito. 
 
 
 
 
 
Um controlador com realimentação negativa apresenta as seguintes características: 
  a ação do controlador é corretiva, por tanto só atua quando é detectado algum desvio 
entre a medição e o ponto de ajuste; 
 a detecção do erro entre a medição e o ponto de ajuste pode ser rápida, porém, a 
resposta de toda a malha de controle pode ser demorada, devido à grande inércia e tempo 
morto do processo: o atraso da resposta resulta em mau controle e produto fora da 
especificação; 
 a malha de controle tende a entrar em oscilação, e as oscilações, mesmo amortecidas, 
demonstram a ocorrência de tentativa e erro; 
  o controlador sempre mede uma variável na saída do processo e manipula uma variável 
na entrada; 
 o sistema de controle mede as alterações na variável controlada, que são consequências 
dos distúrbios; 
 o controlador só atuará na variável manipulada se for detectado o desvio na variável 
controlada; 
 base matemática da ação corretiva da malha fechada com realimentação negativa é o 
erro existente entre a medição da variável e o valor ajustado de referência; 
quando o erro entre medição e ponto de ajuste for zero, a saída do controlador será 
constante e diferente de zero. Outros instrumentos podem ser adicionadosà malha básica de 
controle, para otimizar o seu funcionamento como, por exemplo, pode-se colocar equipamentos 
para: condicionar, converter, traduzir, transformar, amplificar, atenuar e filtrar os sinais de 
informação e de atuação do controle. A malha pode desempenhar não só o controle, mas 
funções de registro, totalização e alarme. Também é comum o uso de controle manual, como 
alternativa ao controle automático, o que torna o sistema mais flexível e seguro. A malha de 
controle tem uma realimentação negativa na malha externa de controle e outra no circuito 
interno do controlador. Na malha externa de controle, é feita a medição da variável controlada, 
a comparação com a de referência externa do controlador e a ação corretiva que vai para o 
elemento final de controle. Internamente ao controlador, é recebida a medição da variável 
controlada, comparada com o ponto de ajuste de referência e realimentada a saída do 
controlador, para a estabilização da sua saída. 
É irrelevante também se as variáveis medida e manipulada são as mesmas na malha de 
vazão e na de pressão. O conceito de controle é a realimentação negativa, independentemente 
do meio ou método utilizado. 
 
 
 
 
 
 
 
 Na malha de controle de vazão da Figura 4a, a vazão é sentida pela placa (FE), o sinal é 
transmitido (FT), extraída a raiz quadrada (FY-A), chegando ao controlador (FIC). Esse sinal de 
medição é comparado com o ponto de ajuste, gerando um sinal pelo controlador (função 
matemática da diferença entre medição e ponto) que vai para a válvula de controle (FCV), 
passando antes por um transdutor corrente para pneumático (FY-B), o qual compatibiliza a 
operação do controlador eletrônico e a válvula com atuador pneumático. O objetivo da atuação 
do controlador é igualar ou aproximar a medição do ponto de ajuste. Do mesmo modo, porém, 
com menor quantidade de equipamentos, ocorre com válvula autorregulada. O valor da pressão 
a ser controlado é enviado a um elemento de comparação localizado no atuador da válvula. 
Nesse elemento, há um ajuste do valor da pressão a ser controlado. Automaticamente, a válvula 
vai para a posição correspondente ao valor de pressão ajustado. Ambos os sistemas 
apresentarão: 
 medição da variável controlada; 
  ajuste do valor desejado; 
 comparação entre medição e ajuste; 
 atuação para igualar a medição ao ponto de ajuste 
 
 A melhor resposta de uma malha de controle é a realimentação negativa, que está longe 
da perfeição, pois seu princípio de funcionamento se baseia em uma imperfeição. Só há controle 
quando há erro. Mesmo assim, a maioria absoluta dos sistemas de controle fundamenta-se no 
conceito de realimentação negativa. Embora seja lento e suscetível à oscilação, ele é o mais fácil 
de ser realizado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Exercício 
1. Em um sistema de controle com realimentação, a variável de saída é comparada 
continuamente com a referência, que é a variável de entrada, a fim de detectar e corrigir 
eventuais desvios do comportamento previsto para o sistema. Com base nessa informação, é 
correto afirmar que: 
a) As variáveis de entrada também são denominadas controladas. 
 b) As variáveis de referência são as de saída. 
c) O sistema de controle tenta impor às variáveis de entrada um determinado comportamento. 
d) As variáveis de saída são chamadas de controladas. 
e) Tanto as variáveis de entrada quanto as de saída podem ser denominadas de variável de 
referência. 
 
2. Analise as afirmações abaixo e assinale a alternativa correta: 
a) No sistema de controle em malha fechada utiliza-se um atuador para comparar 
continuamente a saída de um sistema com a condição desejada, além de converter o erro em 
uma ação de controle com a finalidade de reduzi-lo. 
b) O erro pode diminuir em consequência de alguma alteração nas condições do sistema 
controlado ou por causa de uma mudança no valor desejado. 
c) O termo controle digital direto é usado quando o computador está em malha aberta e 
exercendo, assim, o controle. 
d) Modo de controle é a forma como controlador pode reagir aos sinais de erro. e) Um 
aquecedor elétrico que é ligado ou desligado manualmente para aquecer um ambiente é um 
exemplo de sistema de controle em malha fechada. 
3. Quanto aos sistemas em malha fechada é correto afirmar: 
a) Compensa perturbações por meio da medição da resposta de saída, transmitindo esta 
medição por um canal de retroação para comparar essa resposta com a entrada na junção de 
adição. 
b) Uma das principais vantagens dos sistemas em malha aberta, sobre os em malha fechada, é 
a precisão. 
c) São mais sensíveis a ruídos, a perturbações e a mudanças nas condições ambientais. 
d) É possível o controle da resposta transitória e do erro de estado estacionário, porém, menos 
conveniente e com menor flexibilidade. 
e) Os sistemas de malha fechada são menos complexos e baratos comparados aos sistemas de 
malha aberta. 
 
 
4. Analise as alternativas a seguir e marque a correta: 
a) A realimentação é uma medição de uma variável na entrada e faz sua correção na saída, com 
base nessa medição. 
b) A realimentação é sempre negativa. 
c) Em um sistema de controle não existem atrasos (lags). 
d) O termo erro de estado estacionário é usado quando não é possível fazer correção. 
e) Um controlador pode receber um sinal de erro como consequência de uma alteração no valor 
da variável. 
 
5. Um dos fatores considerados uma vantagem do sistema de malha fechada (SCMF) sob o de 
malha aberta (SCMA) é: 
a) Custo. 
b) Perturbações. 
c) Estabilidade. 
d) Potência. 
e) Distúrbios