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CONTROLE CONTÍNUO AULA 2 Prof. Samuel Polato Ribas 2 CONVERSA INICIAL A aplicação e a capacidade de projetar e analisar sistemas de controle é evidentemente cada vez mais requisitada. A escassez de profissionais capazes de compreender corretamente uma planta ou um processo em malha aberta e principalmente em malha fechada é visível e sentida nos mais diversos campos da indústria. Muito dessa escassez se deve ao fato de grande parte desses profissionais não conhecerem e não saberem como obter a função de transferência do processo ou da planta que deve ser controlada. Levando esses fatos em consideração, esta aula tem como principal objetivo apresentar a modelagem matemática de alguns sistemas físicos para que o estudante possa aplicar esse conhecimento a plantas e processos de diferentes áreas. CONTEXTUALIZANDO A modelagem matemática é uma ferramenta fundamental para o projeto de sistemas de controle. Sua importância é tal que alguns sistemas se tornam quase impossíveis de serem controlados caso não se tenha o conhecimento de sua função de transferência. Além disso, ao conhecer a função de transferência é possível realizar um projeto mais preciso de controladores e determinar qual será o comportamento da planta frente ao controlador projetado. Mais ainda, é possível verificar qual é o controlador mais adequado para a aplicação em função da resposta que se deseja que a planta ou processo possua. PROBLEMATIZANDO Para que a modelagem matemática de sistemas físicos possa ser realizada devem ser conhecidas as leis e equações que descrevem o comportamento dinâmico do sistema. Esse é um os motivos que leva à não obtenção de algumas funções de transferência. Há sistemas cuja modelagem pode se tornar complexa a ponto de serem necessários recursos computacionais para obtê-las. Porém, com as ferramentas disponíveis atualmente, isso não deve ser um problema. 3 Entretanto, independentemente de se tratar de um sistema complexo ou não, é indispensável que o profissional da área de controle seja capaz de obter as equações básicas que descrevem o comportamento da planta a ser controlada. Com esse objetivo, esta aula abordará alguns exemplos de como obter a função de transferência matematicamente. PESQUISE Pesquise sobre formas de obter a função de transferência de plantas experimentalmente. Uma das possibilidades é a modelagem matemática. Pesquise sobre as demais. TEMA 1 – MODELAGEM DE SISTEMAS A modelagem matemática de sistemas físicos é indispensável para o projeto e a análise de sistemas de controle. Para obter o modelo dinâmico de uma planta ou processo, utilizam-se equações diferenciais que descrevem o comportamento do sistema. Após a obtenção das equações diferenciais, elas devem ser submetidas a aplicação da transformada de Laplace, para então obter-se a função de transferência. Vale ressaltar que quando se trata de um sistema físico não linear, deve- se utilizar alguma técnica de linearização para as equações diferenciais. Após obtidas as equações diferenciais, trabalhadas matematicamente, e submetidas à transformada de Laplace, obtém-se a função de transferência que é a relação entre dois sinais – normalmente é a relação entrada-saída. Em outras palavras, a partir da função de transferência é possível obter a saída do sistema em função do sinal de entrada. Assim é possível estudar qual será o seu comportamento frente a possíveis sinais de entrada. Isso é muito importante para o projeto de sistemas de controle, pois sem a modelagem matemática não é possível “prever” como será o comportamento da planta. Outra vantagem da obtenção da função de transferência da planta é que com ela é possível criar um diagrama de blocos com todas as funções de transferência que compõem um sistema em malha aberta ou em malha fechada. Com isso em mãos, é simples e prático analisar o sistema, além de obter resultados que irão condizer com o sistema real. 4 De forma geral, para se obter o modelo matemático de sistemas físicos, os seguintes objetivos devem ser satisfeitos: reconhecimento das equações diferenciais que descrevem o comportamento do sistema físico; entendimento da aplicação da transformada de Laplace e sua função na obtenção de funções de transferência; conhecimento de diagrama de blocos e métodos de simplificação; compreensão da importância da modelagem para sistemas de controle. Já o processo para obtenção do modelo matemático de sistemas físicos pode ser descrito pelas seguintes etapas: formulação do modelo matemático; obtenção das equações diferenciais que representam o modelo matemático; resolução das equações para a variável de saída; verificação do resultado e das condições iniciais estabelecidas; caso seja necessário, análise ou projeto do sistema novamente. Como mencionado anteriormente, pode haver situações em que a planta se torna muito complexa, tornando inviável a obtenção analítica do modelo matemático. Nesses caso, é aconselhável a obtenção experimental da função de transferência. Uma das ferramentas disponíveis para isso é o System Identification, da National Instruments. Trata-se de um módulo do software LabVIEW que utiliza algoritmos de identificação para a obtenção do modelo da planta. Normalmente os algoritmos de identificação de parâmetros utilizam complexos sistemas de identificação que medem todas as variáveis que podem alterar o comportamento do sistema, e também medem qual o comportamento da saída para todas as variáveis que alteram o sistema. Esses dados são então processados, e é possível obter a função de transferência com alta precisão, contendo todos os polos e zeros do sistema. TEMA 2 – SISTEMAS MECÂNICOS DE TRANSLAÇÃO Os sistemas mecânicos de translação compreendem sistemas compostos por elementos de inércia, amortecedores e molas. 5 Cada um desses elementos possui uma equação característica, diferencial ou não, que descreve o seu comportamento dinâmico. Essas equações são definidas pela 2ª Lei de Newton. Antes de iniciar o equacionamento de um sistema mecânico de translação, é necessário conhecer a função que descreve o comportamento dinâmico dos seus elementos. 2.1 Elementos de inércia (massa) Uma massa, que representa um elemento de inércia, é apresentada na Figura 1. Figura 1 – Elemento de inércia de um sistema mecânico de translação Na Figura 1, o elemento de massa m possui uma extremidade fixada, e na outra extremidade é aplicada uma forma f(t), ocasionando um deslocamento x(t) da massa. De acordo com a 2ª Lei de Newton, sabe-se que a força é o produto da massa pela aceleração, portanto 2 2 dt tdx m dt tdv mtamtf (1) 2.2 Elemento de amortecimento Nesse elemento pode existir um deslocamento relativo entre o ponto de conexão superior e o inferior. Portanto, existe a necessidade de utilizar duas variáveis (dois graus de liberdade), conforme mostrado na Figura 2: Figura 2 – Elemento de amortecimento de um sistema mecânico de translação 6 Na Figura 2, B representa o elemento de amortecimento, f(t) a força aplicada, e x1(t) e x2(t) representam os deslocamentos. Nesse caso, o equacionamento fica dt tdx dt tdx BtvtvBtf 2121 (2) Caso uma das extremidades estivesse fixa em uma superfície, como no caso da Figura 1, então a equação do elemento de amortecimento seria dt tdx BtvBtf (3) 2.3 Elemento de elasticidade O elemento de elasticidade consiste basicamente de uma mola. Assim como o elemento amortecedor, pode haver a necessidade de se utilizar duas variáveis para o deslocamento, conforme mostrado na Figura 3: Figura 3 – Elemento de elasticidade de um sistema mecânico de translação Na Figura 3, k representaa constante elástica da mola, f(t) a força aplicada, e x1(t) e x2(t) representam os deslocamentos. Nesse caso, o equacionamento fica 7 txtxBtf 21 (4) Assim como no caso do elemento de amortecimento, caso uma das extremidades da mola estivesse presa a uma superfície, o equacionamento seria txktf (5) Como exemplo de obtenção da modelagem matemática de sistemas mecânicos de translação e obtenção da função de transferência, considere o exemplo mostrado na Figura 4: Figura 4 – Exemplo de sistema mecânico de translação Aplicando o somatório de forças ao sistema da Figura 4, tem-se que txk dt tdx B dt txd mtf 2 2 (6) Perceba que uma das extremidades do elemento amortecedor e o elemento elástico são fixos. Portanto, não há a necessidade de considerar dois deslocamentos. Aplicando a transformada de Laplace à equação (6), tem-se sXkxssXBxsxsXsmsF 00'02 (7) Considerando o sistema no instante inicial em repouso, ou seja, em t = 0, não há deslocamento, portanto x(0) = 0 e x’(0) = 0 resulta em skXsBsXsXmssF 2 (8) 8 Considerando a força F(s) aplicada como sendo o sinal de entrada e o deslocamento X(s) como sendo o sinal de saída, a função de transferência desse sistema pode ser obtida fazendo kBsmssXsF 2 (9) e, finalmente, kBsmssF sX 2 1 (10) Esse é um sistema bastante simples de ser modelado. Entretanto, os sistemas mecânicos podem se tornar mais complexos à medida que o número de elementos aumenta, e também a partir do momento em que os elementos amortecedor e elástico não são conectados a superfícies fixas. TEMA 3 – SISTEMAS MECÂNICOS DE ROTAÇÃO Os sistemas mecânicos de rotação são basicamente iguais aos sistemas mecânicos de translação. A diferença básica é que nos sistemas de translação há um movimento e deslocamento lineares. Nos sistemas de rotação, o movimento e o deslocamento serão angulares. Os elementos são os mesmos vistos no Tema 2 e seu equacionamento é visto a seguir. 3.1 Elemento de inércia O elemento de inércia de um sistema de rotação é mostrado na Figura 5. Figura 5 – Elemento de inércia de um sistema mecânico de rotação 9 Na Figura 5, J é um elemento que possui uma inércia a ser superada para que o sistema entre em movimento girante, T(t) é o torque rotacional aplicado e θ(t) é o deslocamento angular resultante da aplicação do torque. Matematicamente, a equação do elemento da Figura 5 fica 2 2 dt td J dt td JtJtT (11) em que α(t) é a aceleração angular e ω(t) a velocidade angular. 3.2 Elemento de amortecimento Para o elemento de amortecimento, a aplicação de um torque rotacional T(t) pode ocasionar dois deslocamentos angulares relativos, θ1(t) e θ2(t), conforme mostrado na Figura 6. Figura 6 – Elemento de amortecimento de um sistema mecânico de rotação Nesse caso, o equacionamento fica dt td dt td DttDtT 2121 (12) em que D é o coeficiente de atrito viscoso. Caso exista apenas um deslocamento angular, a equação (12) seria escrita na forma dt td BtBtT (13) 10 3.3 Elemento de elasticidade O elemento de elasticidade de um sistema mecânico de rotação submetido à aplicação de um torque e com dois deslocamentos angulares é mostrado na Figura 7. Figura 7 – Elemento de elasticidade de um sistema mecânico de rotação Considerando os dois deslocamentos angulares, o equacionamento será ttktT 21 (14) Caso haja apenas um deslocamento, então o equacionamento fica tktT (15) Como exemplo de aplicação da modelagem matemática aplicada a sistemas mecânicos de rotação, considere o sistema mostrado na Figura 8. Figura 8 – Exemplo de sistema mecânico de rotação Aplicando a equação característica de cada um dos elementos ao sistema da Figura 8 e realizando o somatório dos torques, chega-se a tJtT (16) A equação (16) significa que o torque necessário para igualar o torque da massa inercial é igual ao torque T(t) aplicado menos o torque do elemento de amortecimento viscoso, menos o torque do elemento elástico. 11 O torque do elemento de amortecimento viscoso e o da mola se opõem ao torque rotacional aplicado T(t). A soma dos três torques deve ser igual ao torque da massa inercial. Assim encontra-se o equilíbrio do sistema, e é possível obter a equação dinâmica e consequentemente a função de transferência do sistema. Assim, da equação (16) tem-se tk dt td D dt td JtT dt td Jtk dt td DtT 2 2 2 2 (17) Aplicando a transformada de Laplace à equação (17) e considerando as condições iniciais de deslocamento angular nulas, tem-se kssDssJssT 2 (18) Considerando que o torque T(s) é o sinal de entrada e o deslocamento angular θ(s) é o deslocamento angular, a função de transferência fica na forma kDsJssT s 2 1 (19) TEMA 4 – SISTEMAS ELÉTRICOS A modelagem matemática de sistemas elétricos tem como objetivo obter uma função de transferência que descreva o comportamento dinâmico de um circuito elétrico. As equações básicas de um circuito podem ser obtidas por meio das leis de Ohm e de Kirchhoff. Com base nessas leis são obtidas as equações que descrevem o circuito. A partir delas define-se uma variável como sinal de entrada e outra como sinal de saída. As variáveis que definem a entrada e a saída são tensões ou correntes dos elementos dos circuitos. Entretanto, antes de apresentar o exemplo de uma modelagem de um sistema elétrico, é necessário conhecer o comportamento da tensão e da corrente nos três elementos básicos de um circuito, que são o resistor, o indutor e o capacitor. 12 4.1 Resistor O resistor é um elemento que tem como função limitar a passagem de corrente elétrica, dissipando a energia na forma de calor. Na Figura 9 é apresentado o símbolo do resistor, com uma corrente elétrica, iR(t), passando por ele, gerando uma tensão vR(t). Figura 9 – Símbolo de resistência elétrica A tensão sobre o resistor, vR(t), pode ser calculada diretamente pela Lei de Ohm, fazendo tiRtv RR (20) E, consequentemente R tv ti RR (21) 4.2 Capacitor O capacitor é um elemento armazenador de energia, que tem essa capacidade influenciada pelo valor da sua capacitância, aqui representa por C. Quando uma corrente elétrica passa por ele, vai resultar no aparecimento de uma diferença de potencial entre seus terminais, conforme mostrado na Figura 10. Figura 10 – Símbolo de um capacitor A corrente no capacitor, iC(t), é dada pela variação da tensão sobre ele, vC(t), multiplicada pela capacitância, C. Portanto, pode ser escrita como sendo 13 dt tdv Cti CC (22) E, consequentemente, da equação (22) vem t C C dt C ti tv 0 (23) 4.3 Indutor Assim como o capacitor, o indutor é um elemento armazenador de energia. Entretanto, a capacidade de armazenamento está relacionada ao valor de sua indutância, aqui representada pela letra L. Uma representação do símbolo de um indutor, juntamente com sua tensão, vL(t), e sua corrente, iL(t), é mostrada na Figura 11. Figura 11 – Símbolo de um indutor A tensão sobre o indutor, vL(t), pode ser calculada multiplicando a indutância, L, pera variação da corrente que passa por ele. Matematicamente, dt tdi Ltv LL (24) E, consequentemente, da equação (24) obtém-se dt L tv ti t L L 0 (25) Com base nas equações características dos três elementos (resistor, capacitor e indutor), as equações dinâmicas do circuito obtidas pela Lei de Kirchhoff são submetidas à transformadade Laplace e posteriormente manipuladas matematicamente para se obter a função de transferência que descreve o comportamento do circuito. Como exemplo de modelagem aplicada a circuitos elétricos, considere o circuito RLC da Figura 12. 14 Figura 12 – Circuito RLC série No circuito da Figura 12, será considerado que o sinal de entrada é a tensão vi(t), e o sinal de saída é a tensão sobre o capacitor, vo(t). Do ponto de vista de controle, a interpretação é qual será o comportamento da tensão vo(t) em função do sinal de entrada vi(t). Ainda, considera-se que o sentido da corrente elétrica é convencional e que o terminal de elemento em que a corrente entra é positivo. Com base nas considerações feitas, ao aplicarmos a Lei de Kirchhoff das malhas ao circuito da Figura 12 tem-se tvtvtvtv CRLi (26) em que vL(t), vR(t) e vC(t) são as tensões sobre o indutor, resistor e capacitor respectivamente. Substituindo as equações (20), (23) e (25) na equação (26), tem-se que dt C ti tiR dt tdi Ltv t i 0 (27) Aplicando a transformada de Laplace à equação (27) e considerando as condições iniciais nulas, tem-se que Cs sI sRIsLsIsVi (28) Note que na equação (28) não aparece o sinal Vo(s), que é a saída do circuito. Portanto, é necessário obter uma segunda equação para seja possível escrever a função de transferência desejada. Analisando o circuito da Figura 12, nota-se que a tensão vo(t) é a tensão sobre o capacitor, portanto vC(t) = vo(t), que nos leva a t OC C ti tvtv 0 (29) 15 Aplicando a transformada de Laplace à equação (29) tem-se Cs sI sVO (30) e portanto sCsVsI O (31) Agora, substituindo a equação (31) na equação (28) tem-se Cs sCsV sRCsVsLsCsVsV OOOi sVsRCsVsVLCssV OOOi 2 sVsV Oi 2 [LCs +RCs +1] (32) Agora, na equação (32), basta obter a função de transferência da entrada, Vi(s), para a saída, VO(s), fazendo 1 1 2 0 RCsLCssV sV i (33) Finalmente, pode-se afirmar que a função de transferência do circuito da Figura 12, sendo Vi(s) o sinal de entrada e VO(s) o sinal de saída, é dada pela equação (33). É valido ressaltar que um mesmo circuito pode ter mais de uma função de transferência. Depende de qual sinal é a entrada e qual sinal será a saída. Por exemplo, no mesmo circuito da Figura 12, suponha que o sinal V i(s) é a entrada e o sinal I(s) é a saída, ou seja, deseja-se saber qual é o comportamento da corrente em função da tensão de entrada. Nesse caso, bastaria obter a equação (28) e a partir dela obter a função de transferência, fazendo sI Cs RLssVi 1 12 RCsLCs Cs sV sI i (34) 16 Assim, a equação (34) representa a função de transferência da corrente I(s) em função da entrada Vi(s). TEMA 5 – SISTEMAS ELETROMECÂNICOS Os sistemas eletromecânicos são bastante comuns em engenharia elétrica. Como exemplo mais, podemos citar o motor de indução. O motor de indução é um dispositivo que converte energia elétrica em energia mecânica, caracterizando um dispositivo eletromecânico. Além dele, podemos citar ainda geradores, máquinas de corrente contínua, servomotores, motores de passo e motores de relutância variável. Além disso, a evolução da eletrônica disponibiliza ferramentas que possibilitam o controle cada vez mais preciso dessas máquinas. Além do mais, muitos processos industriais exigem precisão e rapidez na execução de processos. O controle preciso e rápido desses dispositivos só é possível com sistemas de controle bem projetados e bem executados. A melhor maneira de conseguir isso é conhecendo o modelo matemático, ou seja, a função de transferência do dispositivo que se deseja controlar. Como exemplo, a partir deste ponto será realizada a modelagem matemática de um gerador de corrente contínua operando com excitação independente. Essa máquina foi escolhida devido à sua simplicidade e também porque suas equações matemáticas não são de alta complexidade. Para iniciar a análise, a Figura 13 apresenta o circuito de ligação do gerador de corrente contínua com excitação independente. Figura 13 – Circuito equivalente do gerador de corrente contínua com excitação independente Na Figura 13, vF(t) é a tensão do enrolamento de campo, RF e LF são a resistência e a indutância do enrolamento de campo, respectivamente, ɸ é o fluxo 17 magnético, eg(t) é a tensão induzida na armadura, RA e LA são a resistência e a indutância do enrolamento de armadura, respectivamente, vA(t) é a tensão sobre a carga nos terminais da armadura, ZL, e as cargas e iF(t) e iA(t) são as correntes de campo e de armadura, respectivamente. O objetivo aqui é construir o diagrama de blocos e encontrar a função de transferência tendo como sinal de entrada a tensão do enrolamento de campo, VF(s), e como sinal de saída a tensão sobre a carga, VA(s). Para isso serão utilizadas as equações obtidas pelas Leis de Kirchhoff e as equações de máquinas elétricas que regem o comportamento do gerador de corrente contínua. Aplicando a Lei de Kirchhoff das malhas no circuito de campo e no circuito de armadura, tem-se, respectivamente, dt tdi LtiRtv FFFFF (35) e tv dt tdi LtiRte A A AAAg (36) Aplicando a transformada de Laplace às equações (35) e (36), o resultado é sIsLRssILsIRsV FFFFFFF (37) e sVssILsIRsE AAAAAg (38) Sabe-se ainda que a tensão induzida, eg(t), pode ser escrita como dt td tkteg (39) em que k é uma constante construtiva da máquina e dθ(t)/d(t) é a velocidade angular da máquina. Sabe-se ainda que o fluxo magnético ɸ é diretamente proporcional à corrente de campo iF(t), portanto pode-se escrever que 18 tikt FF (40) em que kF representa uma constante de proporcionalidade. Substituindo a equação (40) na equação (39) e considerando que a velocidade angular é constante, tem-se tik dt td tikkte FGFFg (41) sendo kG igual ao produto das três constantes da equação (k, kF e dθ(t)/d(t)). Aplicando a transformada de Laplace à equação (41), tem-se sIksE FGg (42) Olhando agora para o circuito de armadura, é possível perceber que tiZtv ALA (43) Que, quando submetida à transformada de Laplace, fica sIZsV ALA (44) Substituindo a equação (44) na equação (38), tem-se sIZssILsIRsE ALAAAAg (45) Por fim, isolando as correntes IF(s) e IA(s) nas equações (37) e (45), tem- se sLR sV sI FF F F sLZR sE sI ALA g A (46) Agora, com base nas equações (42) e (46), é possível obter o diagrama de blocos da Figura 14. Figura 14 – Diagrama de blocos do gerador de corrente contínua 19 Finalmente, associando os blocos da Figura 14 obtém-se a função de transferência sLZRsLR Zk sV sV ALAFF LG F A (47) A função de transferência da equação (47) fornece a relação entre a tensão do circuito de campo e a tensão terminal da armadura. NA PRÁTICA Busque exemplos de modelagem matemática de plantas e sistemas diferentes dos estudados nesta aula. Por exemplo, modelagem de sistemas com engrenagens, sistemas térmicos, entre outros. FINALIZANDO É inegável que o conhecimento da planta para a otimização de sistemas de controle é algo que contribui bastante. Mas para que seja possível obter o modelo matemático, é indispensável o conhecimento de como funciona a dinâmica da planta em questão. Portanto, fica evidente que para o estudo dos sistemas de controle é fundamental o conhecimento multidisciplinar, envolvendo diferentes áreas da engenharia, como mecânica, elétrica e máquinaselétricas, por exemplo. 20 REFERÊNCIAS NISE, N. S. Engenharia de sistemas de controle. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009. OGATA, K. Engenharia de controle moderno. 5. ed. São Paulo: Pearson, 2010.