Introdução aos Sistemas de Controle

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EGCAS, EGMS e EGPS | Análise, Modelagem e Controle | 2017_1 
Introdução aos Sistemas de Controle 
PARTE 1 
Foto: Engenharia de Software na Prática 
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1.1. Definições 
“Um sistema que estabeleça uma relação de comparação entre uma saída e uma entrada de referência, 
utilizando a diferença como meio de controle, é denominado Sistema de Controle com Realimentação” – K. 
Ogata – Engenharia de Controle Moderno; 
“Um Sistema de Controle consiste em subsistemas e processos construídos com o objetivo de se obter uma 
saída desejada, com desempenho desejado para uma entrada específica fornecida.” – N.S.Nise – 
Engenharia de Sistemas de Controle; 
‘Um Sistema de Controle é uma interconexão de componentes formando uma configuração de sistema que 
produzirá uma resposta desejada do sistema.” – R.C. Dorf e R.H. Bishop – Sistemas de Controle Moderno; 
Enfim, um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou plantas) reunidos com o propósito 
de controlar as saídas dos processos. Isto é mostrado esquematicamente na Figura 1. 
 
Figura 1 – Descrição simplificada de um sistema de controle (NISE, 2002). 
Exemplos: 
(a) Controle de uma caldeira: calor produzido pelo fluxo de combustível. Termostatos (sensores) medem 
temperatura da sala e válvulas de combustível e atuadores de válvulas de combustível são usadas para 
regular a temperatura da sala controlando a saída de calor da caldeira. 
(b) Pâncreas – regula açúcar no sangue. 
(c) Olhos seguindo um objeto 
(d) Peças mecânicas usinadas automaticamente. 
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Figura 2 - a. Os elevadores primitivos eram controlados por cabos manuais ou por um operador de elevador. 
Aqui, uma corda é cortada para demonstrar o freio de segurança, uma inovação nos elevadores primitivos; 
b. os modernos elevadores de transporte duplo fazem sua subida no Grande Arche em Paris, conduzido por 
um motor, com cada carro contrabalançando o outro. Hoje, os elevadores são completamente automáticos, 
usando sistemas de controle para regular posição e velocidade. (NISE, 2002). 
Razões para se utilizar sistemas de controle: 
(a) Amplificação de potência 
Elevador hidráulico em postos de combustíveis. 
(b) Controle remoto 
Robôs úteis em localidades remotas ou perigosas. 
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Figura 3 - O Rover foi construído para trabalhar nas áreas contaminadas de Three Mile Island em Middleton, 
PA, USA, onde ocorreu um acidente nuclear em 1979. O longo braço do robô de controle remoto pode ser 
visto na frente do veículo (NISE, 2002). 
(c) Facilidade de uso da forma de entrada 
Sistemas de controle de temperatura. 
(d) Compensação de perturbações 
Exemplo: antena apontando para direção comandada. Se um vento força a antena a se deslocar de sua 
posição comandada, o sistema deve ser capaz detectar a perturbação e corrigir o problema. 
1.2. Histórico 
_ Controle de nível de líquidos: 300 a.C. – relógio de água, lampião a óleo. 
_ Controle de pressão de vapor e temperatura: século XVII – válvula de segurança, controle de temperatura 
para chocar ovos. 
_ Controle de velocidade: século XVIII – moinho de vento, máquinas a vapor. 
_ Estabilidade, estabilização, condução: século XIX – controle de embarcações. 
_ Desenvolvimentos no século XX: projeto no domínio da freqüência (Bode, Nyquist). 
_ Aplicações contemporâneas: meios de transporte, plantas industriais, ônibus espaciais, entretenimento, 
etc. 
_ Importância dos computadores. 
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1.3. A Engenheira de Controle e Automação 
Percorre inúmeras áreas do conhecimento e inúmeras funções dentro dessas áreas. Engenheiro de A&C 
pode ser encontrado no nível mais elevado de grandes projetos, envolvido na fase conceitual de determinar 
ou implementar os requisitos globais do sistema. 
Engenheiro de A&C interage com inúmeros ramos da Engenharia e das ciências. Expansão de horizontes 
da Engenharia além do currículo universitário. Vantagem a um estudante (além da graduação...): 
 Ênfase no projeto de cima para baixo (top-down) 
 Abordagem sistêmica diferentemente dos outros cursos até aqui 
 A abordagem de baixo para cima é usada nos cursos anteriores principalmente por causa do alto 
nível matemático necessário. 
 Este curso esclarecerá os procedimentos de análise e planejamento e mostrará a você como o 
conhecimento adquirido se encaixa dentro do projeto do sistema. 
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Figura 4 - a. Reprodutor de disco de vídeo a laser; b. lentes objetivas lendo depressões no disco; c. trajetória 
óptica para reprodução mostrando o espelho de rastreamento acionado angularmente por um sistema de 
controle para manter o feixe de laser posicionado nas depressões (NISE, 2002). 
 
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1.4. Configurações de Sistemas 
São duas as principais configurações dos sistemas de controle: Sistemas em Malha Aberta e Sistemas em 
Malha Fechada. 
Sistemas em Malha Aberta: 
Um sistema em malha aberta genérico é mostrado na Figura 5(a). Ele começa com um subsistema chamado 
transdutor de entrada, o qual converte a forma da entrada para aquela utilizada pelo controlador. O 
Controlador aciona um Processo ou Planta. A Entrada é chamada também de referência, enquanto a saída 
pode ser chamada variável controlada. Outros sinais, como as perturbações, são mostrados adicionados a 
saída do controlador e do processo através de junções de soma. 
A característica distintiva de um sistema em malha aberta é que ele não pode realizar compensações para 
quaisquer perturbações que sejam adicionadas ao sinal. 
 
Figura 5 (a) – Diagrama de blocos de sistemas de controle: (a) sistema em malha aberta; 
Sistema a malha aberta 
_ Transdutor de entrada – converte a forma de entrada na usada pelo controlador. 
_ Controlador – age sobre o processo ou planta. 
_ Característica que distingue sistemas a malha aberta: não pode compensar a ação de quaisquer 
perturbações que sejam adicionadas. 
_ Exemplos: torradeira simples; digitação de texto sem se olhar na tela. 
 
Sistemas de malha fechada (Controle com Realimentação ou Retroação): 
As desvantagens do sistema de malha aberta, como a sensibilidade às perturbações e a falta de habilidade 
para corrigir seus efeitos, podem ser superadas nos sistemas de malha fechada, através da introdução de 
um transdutor de saída, ou sensor, que mede a resposta da saída e a converte para uma forma utilizada 
pelo controlador. 
O resultado da realimentação, geralmente, é chamado de sinal de atuação. O valor do sinal de atuação é 
igual a diferença real entre a entrada e a saída (para um sistema de ganho unitário). Nestas condições o 
sinal de saída é chamado de erro. 
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Figura 5(b) – Diagrama de blocos de sistemas de controle: (b) sistema em malha fechada 
Sistema a malha fechada (controle com realimentação ou retroação) 
_ Transdutor de entrada: converte forma de onda de entrada na forma usada pelo controlador. 
_ Transdutor de saída ou sensor: mede a resposta de saída e a converte na forma usada pelo controlador. 
_ Vantagem: compensa perturbações medindo o sinal de saída. Maior precisão, menos sensível a ruídos. 
_ Desvantagem: mais complexos e caros. 
_ Exemplos: torradeira “automática” (mede cor do pão); digitação de texto conferindo-se o resultado na tela. 
1.5. Características de resposta e configuração de sistema 
Entrada e Saída 
Sistema de controle fornece uma saída ou resposta para uma dada entrada ou estímulo. A entrada 
representa a resposta desejada, a saída é a resposta real. 
_ Exemplo: botão do quarto andar de um elevador é pressionado do térreo. 
_ Elevador deve subir com uma velocidade e uma precisão de nivelamento projetados para o conforto do 
passageiro. Estas características são, respectivamente, a resposta transitória e o errode estado 
estacionário. 
 
Figura 6 - Entrada e saída: Resposta do elevador (NISE, 2012, 6ªEd.). 
 
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EXERCÍCIOS: 
1. Cite três aplicações de sistemas de controle com retroação. 
2. Cite três razões para o uso de sistemas de controle com retroação e pelo menos uma razão para não 
usá-los. 
3. Dê três exemplos de sistemas a malha aberta. 
4. Funcionalmente, como os sistemas de malha fechada diferem dos sistemas de malha aberta? 
5. Um resistor variável, chamado potenciômetro, é mostrado a seguir: 
 
Figura 8 – Potenciômetro (NISE, 2012, 6ªEd). 
A resistência é alterada movendo-se um cursor de contato deslizante ao longo de uma resistência fixa. A 
resistência entre A e C é constante, mas a resistência entre B e C varia com a posição do cursor. 
Considerando-se que são necessárias 10 voltas para mover o cursor de contato de A para C, desenhe um 
diagrama de blocos do potenciômetro mostrando a variável de entrada, a variável de saída e (dentro do 
bloco) o ganho, que é uma constante e representa o valor pelo qual a entrada deve ser multiplicada para se 
obter a saída. 
 
 
 
 
 
 
 
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5. Resolva as seguintes equações diferenciais usando os métodos clássicos. Suponha que as condições 
iniciais sejam iguais a zero. 
 
 
6. Resolva as seguintes equações diferenciais usando os métodos clássicos e as condições iniciais 
fornecidas. 
 
Bibliografia: NISE, NORMAN S.,Engenharia de Sistemas de Controle, LTC, 6ªEd., 2012, Rio de Janeiro; 
EISENCRAFT, MARCIO., Automação e Controle I, Universidade Presbiteriana Mackenzie, 2006;