Notas de Aula - Automacao Industrial Parte 1

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FACULDADE MULTIVIX – VITÓRIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL 
NOTAS DE AULA 
 
 
 
Professor: Wenderson Ganda, MSc 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
VITÓRIA 
2015 
 
 
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Ementa do Curso: 
Introdução à automação industrial, sistemas de produção e automação, conceitos básicos de controle, sistemas de 
controle, modelos de sistemas de controle, sistemas operando em malha aberta, sistemas operando em malha 
fechada com realimentação negativa, funções de transferência, diagramas de blocos de processos, automação de 
processos contínuos, sistemas supervisores, sistemas de controle PID, simulação e sistemas contínuos, 
instrumentação analógica e digital e transdutores. 
Principais Tópicos a serem abordados: 
• Introdução aos Sistemas de Controle e Automação; 
• Conceitos básicos: Revisão de Equações Diferencias e Transformada de Laplace; 
• Modelagem de Sistemas e Funções de Transferência; 
• Sistemas de Controle: Representação em Diagramas de Blocos. 
• Sistemas de Controle com Realimentação em Malha Fechada. Controle PID; 
• Simulação de Sistemas Contínuos; 
• Noções de Instrumentação, transdutores e sensores; 
• Automações de processos e supervisão 
Bibliografia Básica: 
• DORF, Richard C. Sistemas de Controle Modernos, Ed. LTC, 11ª Edição, 2009. 
• OGATA, K.; Engenharia de Controle Moderna. Ed Prentice Hall, 4º edição, 2005. 
• SILVEIRA, Paulo Rogério. Automação e controle discreto. São Paulo, 6º edição, 1998, editora Érica. 
• ROQUE, L. A. O. L. Automação de Processos com Linguagem Ladder e Supervisórios. Ed. LTC, 1ª 
Edição 
 
 
 
 
 
 
 
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Capitulo 1: Introdução aos Sistemas de Controle e Automação 
1. Introdução 
O que é Automação? 
Segundo Dorf, “É o controle de um processo industrial por meios automáticos ao invés de manuais”; 
Segundo Dicionário Babylon, “Sistema automático pelo qual os mecanismos controlam seu próprio 
funcionamento, quase sem a interferência do homem” 
Segundo Google, “Sistema em que os processos operacionais em fábricas, estabelecimentos comerciais, 
hospitais, telecomunicações etc. são controlados e executados por meio de dispositivos mecânicos ou 
eletrônicos, substituindo o trabalho humano; automatização.” 
Automação (do latim Automatus, que significa mover-se por si ) é um sistema automático de controle pelo 
qual os mecanismos verificam seu próprio funcionamento, efetuando medições e introduzindo correções, 
sem a necessidade da interferência do homem. Em seu uso moderno, a automação pode ser definida como 
um tecnologia que utiliza comandos programados para operar um dado processo, combinados com 
retroação de informação para determinar que os comandos sejam executados corretamente, 
frequentemente utilizada em processos antes operados por seres humanos , é a aplicação de técnicas 
computadorizadas ou mecânicas para diminuir o uso de mão-de-obra em qualquer processo, especialmente 
o uso de robôs nas linhas de produção. A automação diminui os custos e aumenta a velocidade da produção. 
Fonte: Lacombe (2004) 
Também pode ser definida como um conjunto de técnicas que podem ser aplicadas sobre um processo 
objetivando torná-lo mais eficiente, ou seja maximizando a produção com menor consumo de energia, 
menor emissão de resíduos e melhores condições de segurança, tanto humana e material quanto das 
informações inerentes ao processo. 
A automação pode ser dividida em alguns ramos principais: 
• Automação industrial - A automação industrial de uma máquina/processo consiste essencialmente 
em escolher, de entre as diversas tecnologias que se encontram ao nosso dispor, as que melhor se 
adaptam ao processo a desenvolver e a melhor maneira de as interligar para garantir sempre a 
melhor relação custo/beneficio. A automação industrial é normalmente dividida em 3 níveis: 
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a) Nível de Campo - constituído pelos elementos a controlar (ex:Motores) e pelos elementos de 
detecção (ex:sensores) 
b) Nível de Controle - Como o próprio nome indica, é o nível onde se encontram os elementos que 
vão controlar o processo (ex: PLCs) 
c) Nível de Supervisão - É composto pelos programas de interface homem-máquina e aquisição de 
dados (este nível não deve interferir directamente no funcionamento do processo - Supervisórios) 
• Automação comercial - Ramo da automação onde ocorre a aplicação de técnicas específicas na otimização 
de processos comerciais, geralmente utilizando-se mais software do que hardware, tais como: sistemas 
controle de estoques, contas a pagar e receber, folha de pagamentos, identificação de mercadorias por 
códigos de barras ou por rádio frequência (RFID), etc. 
• Automação Residencial - Aplicação da técnicas de automação para melhoria no conforto e segurança de 
residências e conjuntos habitacionais, tais como: Controle de acesso por biometria, porteiro e portões 
eletrônicos, circuitos Fechados de Televisão (CFTV), controle de luminosidade de ambientes, controle de 
umidade, temperatura e ar condicionado (HVAC), etc. 
Para viabilizar a automação de um determinado processo, existe uma necessidade preliminar de realização 
de um estudo técnico (também chamado de engenharia básica ou levantamento de dados) que verificará 
todas as necessidades para o processo desejado, servindo como subsídio para a identificação, análise e 
determinação da melhor estratégia de controle e para a escolha dos recurso de hardware e/ou software 
necessários para a aplicação. 
Atualmente, a automação está presente em diferentes níveis de atividades do homem, desde as 
residências, no trânsito, através de sistemas de controle de tráfego e sinalização, nos edifícios comerciais, 
processos de compra, venda e transporte de bens, processos industriais primários e secundários, e até nas 
jornadas espaciais. 
 
O que são sistemas de controle? 
A engenharia preocupa-se com o entendimento e controle de materiais e forças da natureza para o 
benefício da humanidade. A engenharia de sistemas de controle preocupa-se com o entendimento e 
controle de segmentos de seu ambiente, chamados de sistemas, para produzir produtos economicamente 
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úteis para a sociedade. Os objetivos de entendimento e controle são complementares porque o controle 
eficiente de sistemas requer que os sistemas sejam entendidos e modelados. 
A engenharia de controle é baseada nos princípios da teoria da realimentação e na análise de sistemas 
lineares e ela integra conceitos de teoria de redes e teoria da comunicação. Sendo assim, a engenharia de 
controle não está limitada a nenhum dos ramos da engenharia, mas é igualmente aplicável às engenharias 
aeronáutica, química, mecânica, civil e elétrica. A lista de aplicação da teoria de controle é amplamente 
vasta. 
Um Sistema de Controle é a interconexão de componentes formando uma configuração de sistema que 
produzirá uma resposta desejada do sistema. A base para a análise de um sistema são os princípios 
fornecidos pela teoria de sistemas lineares, a qual supõe uma relação de causa e efeito para os 
componentes de um sistema. Além disso, um componente ou processo a ser controlado pode ser 
representado por um bloco, como na figura 1.1. A relação entrada-saída representa a relação de causa e 
efeito do processo, que por sua vez, representa o processamento do sinal de entrada para fornecer um 
sinal de saída variável. 
Um Sistema de Controle em Malha Aberta usa um controlador e um atuador para obter a resposta 
desejada, conforme visto na figura 1.2. Um sistema de controle em malha aberta é um sistema sem 
realimentação. 
Já o Sistema de Controle em Malha Fechada, utiliza a medida da saída para comparara saída desejada, 
formando uma realimentação (figura 1.3). Um sistema de controle com realimentação tende a manter uma 
relação predeterminada entre duas variáveis do sistema através da comparação de funções dessas 
variáveis e usando a diferença como um meio de controle. 
 
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Usualmente, a diferença entre a saída desejada e a saída real é igual ao erro, o qual é então corrigido pelo 
controlador. A saída do controlador faz com que o atuador ajuste o processo para reduzir o erro. 
Sistemas de controle estão presentes no nosso dia a dia. Exemplos comuns de sistemas de controle em 
malha aberta são os ajustes de chama no fogão ou forno, aumento de volume em sistemas de tv, 
aceleração de automóvel, etc. A introdução da realimentação possibilita o controle de uma saída de 
interesse e pode melhorar a exatidão, mas requer atenção para a questão da estabilidade da resposta. 
Exemplos simples diários de controle em malha fechada são o sistema de frenagem ABS e o de controle de 
velocidade de cruzeiro em automóveis, a boia de controle de nível da caixa d’água (controles automáticos), 
o simples andar de bicicleta e ou dirigir um automóvel (controles não automáticos). 
O controle de um processo industrial pela automação está permeada por todo tipo de indústria e é 
fundamental para nossa sociedade industrial. 
 
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2. Breve história do controle automático 
As primeiras aplicações de controle com realimentação apareceram no desenvolvimento de mecanismos 
reguladores com boias na Grécia entre 300 a 1 a.c. Na Europa ocidental, os primeiros sistemas surgiram no 
século XVI (reguladores de temperatura e pressão), sendo que o primeiro de uso industrial é atribuído à 
James Watt, um regulador de esferas (1769) usado para controlar a velocidade em um motor a vapor. O 
dispositivo era inteiramente mecânico, mostrado na figura 1.5, media a velocidade do eixo de saída e 
utilizava o movimento das esferas para controlar a válvula de vapor e por conseguinte, a quantidade de 
vapor que entrava no motor. À medida que a velocidade do eixo de saída do motor aumenta, os pesos 
esféricos se elevam e se afastam do eixo do regulador e através de ligações mecânicas, a válvula de vapor 
se fecha e o motor desacelera. 
 
No século posterior foram desenvolvidos muitos sistemas de controle automático, mas baseado na 
intuição e inventividade. Esforços para aumentar a exatidão levaram à atenuações mais lentas das 
oscilações transitórias e em sistemas instáveis. Tornou-se então imperativo desenvolver a teoria do 
controle automático. Em 1868 James Clark Maxwell formulou a teoria matemática relacionada à teoria de 
controle usando um modelo de equações diferenciais de um regulador. O estudo de Maxwell estava 
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relacionado com o efeito que vários parâmetros do sistema tinham no desempenho do mesmo. Neste 
mesmo período, I. A. Vyshnegradskii formulou a teoria dos reguladores. 
Antes da Segunda Guerra Mundial, a teoria e a prática do controle nos EUA e na Europa Ocidental se 
desenvolveram de modo diferente da Rússia e do Leste europeu. Nos EUA, o inventivo foi o 
desenvolvimento de sistemas telefônicos e amplificadores eletrônicos (Bode, Nyquist, Black) nos 
laboratórios Bell. Assim, estas análises foram feitas usando o domínio da frequência, enquanto que 
matemáticos e mecânicos aplicados na URSS utilizavam formulações no domínio do tempo e equações 
diferencias. 
Um grande impulso para teoria e prática de controle automático ocorreu durante a Segunda Guerra, 
quando se tornou necessário projetar pilotos automáticos para aeronaves, sistemas de posicionamento de 
artilharia, sistemas de controle de antenas de radares e outros. A complexidade e o desempenho 
esperados desses sistemas militares fizeram com que fosse necessária uma extensão das técnicas de 
controle disponíveis e promoveram o interesse no desenvolvimento de novos critérios e métodos. Antes 
de 1940, a maioria dos projetos era baseada em tentativa e erro. Durante esta década, métodos 
matemáticos e analíticos aumentaram em número e utilidade e a engenharia de controle tornou-se um 
ramo da engenharia por si mesma. 
Após a Segunda Guerra, as técnicas do domínio da frequência dominaram a área de controle, com o 
aumento do uso da Transformada de Laplace e do plano complexo de frequência. Durante a década de 
1950, a ênfase da teoria de controle foi no desenvolvimento e uso de métodos no plano s e abordagem do 
lugar geométrico das raízes. A partir dos anos 1980 o uso de computadores digitais passou a ser rotineiro e 
a aplicação de controle cada vez mais generalizada, com cálculos cada vez mais rápidos e precisos. 
O desenvolvimento da corrida espacial deu outro ímpeto novo à engenharia de controle. Tornou-se 
necessário o projeto de sistemas de controle de complexos e de alta exatidão para mísseis e sondas 
espaciais. Além disso, a necessidade de minimizar o peso de satélites e controla-los com muita exatidão 
deu origem a importante área do controle ótimo. Devido à estes requisitos, o métodos do domínio do 
tempo desenvolvidos por Lyapunov, Minorky e outros têm sido tratados com grande interesse nas últimas 
duas décadas. Estudos de L.S Pontryagin e Bellman, assim como estudo sobre sistemas robustos têm 
contribuído para o interesse em métodos no domínio do tempo. Está claro agora que as duas abordagens 
(tempo e frequência) precisam ser consideradas na análise e projeto de sistemas de controle modernos. 
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3. Exemplos de Sistemas de Controle 
A engenharia de controle trata da análise e do projeto de sistemas orientados a objetivos. A teoria de 
controle moderna trata de sistemas que têm qualidades de auto-organização, adaptação, robustez, 
aprendizagem e otimalidade. 
O controle com realimentação é um fato fundamental da indústria e sociedade modernas. A seguir 
exemplos básicos de sistemas controle são mostrados: 
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Capitulo 2: Modelagem Matemática de Sistemas 
1. Introdução 
Modelos matemáticos de sistemas físicos são elementos chave no projeto e análise de sistemas de 
controle. O comportamento dinâmico é geralmente descrito com o uso de equações diferenciais 
ordinárias. Uma vez que a maioria dos sistemas físicos é não linear, são utilizadas aproximações lineares, as 
quais possibilitam o uso da Transformada de Laplace. Assim, pode-se encontrar as relações entrada-saída 
e representar o sistema através de diagramas de blocos. 
2. Equações diferenciais de sistemas físicos 
As equações diferenciais descrevendo o desempenho dinâmico de um sistema físico são obtidas através do 
uso das leis físicas do processo. Esta abordagem se aplica igualmente bem a sistemas mecânicos, elétricos, 
hidráulicos e termodinâmicos. A tabela 2.2 mostra equações diferenciais para elementos comuns destes 
sistemas. 
 
 
Como exemplo de modelagem de um sistema mecânico, considere o sistema massa-mola-amortecedor da figura 2.1. 
Este sistema pode representar um sistema de amortecimento de um automóvel. 
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O diagrama de corpo livre é mostrado na figura (b). O atrito com as paredes é modelado como um amortecedor 
viscoso, ou seja, a força de atrito é linearmente proporcional à velocidade da massa. (Existe atritos não lineares, 
como o de Coulomb ou atrito seco). Somando as forças aplicadas sobre a massa M e utilizando a segunda Lei de 
Newton, resulta: 
 
3. Aproximações lineares de sistemas físicos 
A grande maioria dos sistemas físicos é linear para uma certa faixa de valores das variáveis, mas em geral 
são não lineares a medida que os valores crescem indefinidamente. Por exemplo, no sistema massa-mola-
amortecedor é linear para pequenos deslocamentosy(t). 
O sistema é dito linear se atende o princípio da superposição e homogeneidade, ou seja: 
y[k(x1 + x2)] = k.y(x1) + k.y(x2) 
Sistemas do tipo y = x², y = sen(x), y = mx +b são não lineares por não atenderem os princípios. 
No entanto, pode-se frequente linearizar os elementos não lineares admitindo-se pequenas variações do 
sinal. 
Considere uma resposta y(t) que é função da excitação x(t): 
 
O ponto de operação normal é x0. Sendo a função contínua na faixa de interesse, uma expansão em Série 
de Taylor em torno do ponto de operação pode ser utilizada. Tem-se então: 
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A inclinação da curva no ponto de operação, 
 
É uma boa aproximação para a curva em uma pequena faixa de variação (x-x0). Assim, como uma 
aproximação razoável, tem-se: 
 
Onde m é a inclinação da curva no ponto de operação. Uma forma genérica de escrever equações lineares 
é: 
 
Graficamente, tem-se, por exemplo: 
 
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4. A Transformada de Laplace 
O método da Transformada de Laplace substitui as equações diferenciais de difícil solução por equações 
algébricas relativamente fáceis de serem resolvidas. A Transformada de Laplace para uma função do 
tempo f(t) é: 
 
A transformada inversa é: 
 
Existem as tabelas de transformação, onde podem ser encontradas as transformadas e as inversas para 
diversas funções. 
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As relações de derivadas e integrais são importantes para os estudos dos sistemas de controle: 
 
A relação mais completa é dada por: 
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Outras relações importantes são as de valor final e valor inicial: 
 
 
 
 
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O polinômio no denominador q(s), quando igualado a zero, é chamado de polinômio característico porque 
as raízes desta equação determinam o caráter da resposta no domínio do tempo. As raízes desta equação 
são chamadas de polos do sistema. As raízes do polinômio no numerador p(s) são chamadas de zeros do 
sistema. Polos e zeros constituem frequências críticas: Nos pólos Y(s) se torna infinita e igual a zero nos 
zeros. 
 
 
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