Trabalho Academico CONTROLE DIGITAL

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FAVINCI – Faculdade Leonardo da Vinci
CONTROLE DIGITAL
 
Trabalho Parcial apresentado como complemento para prova oficial, da Disciplina de Modelagem Sistemas Dinâmicos, na FAVINCI, Faculdade Leonardo da Vinci.
Timbó
2017
	
INTRODUÇÃO
Evolução Tecnológica
Nesses últimos tempos, foi desenvolvido uma nova teoria de controle para sistemas contínuo o suficientemente para estabelecer uma nova revolução entre as tecnologias industriais. Nas últimas três décadas, engenheiros e cientistas buscaram a perfeição no projeto de sistemas de controle, tentando alcançar o desempenho ideal dos sistemas dinâmicos. O advento do computador digital possibilita a criação de controladores mais precisos do que os controladores analógicos, mas restringiu a velocidade de operação, que está sendo melhorada com a evolução dos microcomputadores. Esta evolução está possibilitando cada vez mais que os projetistas de controladores digitais cheguem mais próximos de sistemas com desempenho ideal.
O trem de impulsos (t) é composto de vários impulsos (t) definido por:
 
A área do impulso  (t) é igual a 1, o que expressa a magnitude do impulso. O sinal amostrado e *(t) pode ser descrito pela seguinte relação:
*(t) = (t) (t) = (kT)(t - kT)
Portanto, o sinal discreto e*(t) será definido apenas nos instantes de amostragens
t kT , k= 0, 1, 2,3...
Figura 1 - Control room inside the Joint Institute (Russia 1959). 
Fonte: SOCHUREK, 1959.
Figura 2 - Antiga sala de controle de uma subestação energética (Canastra, RS). 
Fonte: DACIOLE, 2009.
Com a tecnologia da eletrônica digital e a informática aplicada ao controle, ganhos jamais imaginados no passado, foram conseguidos em pouco tempo. Dentre tantos se salienta a integração de muitas funções de processamento do sinal, a flexibilidade para a reconfiguração de malhas de controle assim como a maior disponibilidade de dados informativos sobre o processo. A implantação de sistemas digitais de controle ocorrem de maneira crescente tal que inúmeras arquiteturas de sistemas vem sendo implementadas no decorrer dos vinte últimos anos, (SOUZA, 1999). Todo esse avanço deve-se também à crescente evolução dos protocolos e estruturas das redes industriais, colaborando diretamente com a modernização de sistemas de controle. Pode-se facilmente perceber a evolução dos sistemas de controle com o passar dos anos.
Figura 3 - Imagem ilustrativa de um COI (Centro de Operações Integradas). 
Fonte: SMAR, 2008.
 O avanço da tecnologia da eletrônica microprocessada fornecendo sistemas programáveis, transformações significativas no custo e qualidade dos equipamentos destinados ao controle industrial foram obtidas. Entre inúmeras arquiteturas de sistemas digitais aplicadas na aquisição e monitoração de variáveis analógicas e digitais, assim como na supervisão e controle de processos industriais, tem-se o Sistema Digital de Controle Distribuído, SDCD ou DCS, (Distributed Control System). O SDCD é um elemento da área de Automação Industrial que tem como função o controle de processos de forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custo de produção, viabilizando melhoria na qualidade de produtos, precisão das operações e garantia de segurança operacional, (GUTIERREZ, 2008). Segundo Finkel, (2006) o SDCD ou DCS, se baseia em um sistema de controle industrial microprocessado, criado inicialmente para efetuar especificamente o controle das variáveis analógicas, e foi sendo expandido em suas aplicações até abranger praticamente todas as aplicações de controle usuais, incluindo-se aí as variáveis discretas, o controle de bateladas, controle estatístico de processo, geração de relatórios, etc.. 
Originado na década de 1970 para automatizar plantas em indústrias de processo em batelada ou contínuo, o SDCD foi desenvolvido na forma de um pacote (hardware + software + rede de comunicação) com recursos adaptados às peculiaridades de cada um dos segmentos da indústria – siderúrgica, metalúrgica, refinamento de petróleo, alimentícia, farmacêutica etc.
Figura 4 – Sistema DCS
 fonte: Siemens
Figura 5 – Sistema SDCD
Fonte: Brasil Engenharia
Controladores digitais tradicionais
 Os controladores digitais se dividem em dois tipos; controladores digitais dedicados e controladores lógicos programáveis conhecidos como CPLs, controladores digitais dedicados são basicamente aplicações de microcontroladores em tarefas de controle, cujo propósito específico é executar um algoritmo de controle gravado em sua memória ROM e, em geral, comunicar-se com dispositivos externos para troca de informações e atuação neles. São, por exemplo, a medição e o controle de temperatura, ligar /desligar motores, ler um teclado em sua entrada etc. Programa-se a ROM com códigos de máquina ou linguagem Assembler. O projetista deve conhecer bem o conjunto de instruções do microcontrolador utilizado, seu hardware e a tarefa de controle a ser realizada.
O desenvolvimento de software em linguagem de baixo nível (Assembler), para controladores digitais dedicados, é muito intuitivo e pessoal; raramente os projetistas envolvidos desenvolvem seus programas dentro das regras de programação estruturada. Os controladores lógicos programáveis (CLPs) começou em 1968, em resposta a uma requisição de engenharia da Divisão Hidramática da General Motors (GM). Naquela época, a GM frequentemente passava dias, ou até semanas, alterando os sistemas de controle baseados em relés, sempre que ocorriam mudanças em um modelo de carro ou eram introduzidas modificações na linha de montagem. Para reduzir o alto custo de instalação decorrente dessas alterações, a especificação do controlador digital necessitava de um sistema de estado sólido, microprocessado, com a flexibilidade de um computador, mas que pudesse ser programado e mantido pelos engenheiros e técnicos do chão de fábrica. Também era preciso que suportasse o ar poluído, a vibração, o ruído elétrico e os extremos de umidade e temperatura encontrados normalmente num ambiente industrial. O CLP é um dispositivo de estado sólido, microprocessado, capaz de armazenar instruções para a implementação de funções de controle, tais como sequência lógica, temporização e contagem, além de realizar operações lógicas e aritméticas, manipulação de dados e comunicação em rede.
Figura 6 – Estação de Operação Típica do SDCD
Fonte: RIBEIRO, 2001.
Telas de Visão Geral
 Telas de Visão Geral Essas telas disponibilizam um grande número de malhas de controle, porém, com informações mínimas de cada uma. Existem SDCD em que se tenha em uma única tela até mil malhas, sendo representadas por pontos de cores diferenciadas que indicam a situação real da malha, ou seja, se a mesma opera normalmente, em alarme, em controle manual ou em manutenção.
Figura 7 – Tela Geral
Fonte: BOFF et al, 2005.
Subsistema de Monitoração e Operação
 Nesse subsistema se concentra a maior parte das funções de interface homem-máquina (IHM). Por IHM, entendem-se os dispositivos de software que fornecem ao operador um maior controle e um melhor nível de informações sobre as condições de operação da planta, reduzindo o seu esforço através da simplificação dos procedimentos operacionais. 
As informações são apresentadas sob forma de telas gráficas. As telas são claras e sucintas, onde o operador pode ter acesso ao processo em vários níveis: planta inteira, unidade parcial, grupo de malhas de controle e malha individual. Um cuidado bastante tomado na concepção dessas telas gráficas é em relação ao acúmulo de informações que pode prejudicar a visualização das condições excepcionais.
Telas de Registros ou Históricos
 São telas que registramprecisamente em gráficos os valores das variáveis e seu comportamento, fornecendo data, hora e minuto em que foi lido aquele valor. 
Há dois tipos básicos de telas de registros: registro em tempo real e registro histórico. O primeiro geralmente abrange períodos curtos, variando de segundos a horas, com tempo de amostragem relativamente curto. O segundo costuma abranger períodos maiores de até semanas, com intervalos maiores de amostragens.
Figura 8 – Tela de Registro
Fonte: ELIPSE, 2009.
Subsistemas de Comunicação
 As redes de campo, designadas na literatura anglo-saxônica por "fieldbuses", são redes locais de comunicação, bidirecionais, projetadas e utilizadas para interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controle e sistemas de operação industriais. Devido a uma antiga necessidade na área de processos industriais, a integração de dados vem sido incorporadas em sistemas de automação e controle. Conceitos de “ilhas de controle” estão sendo substituídos pela integração de diversos núcleos de um mesmo sistema e utilização de controle distribuído. Para que seja possível a realização de um controle integrado, é necessário que exista uma infra-estrutura de comunicação entre os diversos 36 subsistemas. Esta infra-estrutura é denominada de subsistema de comunicação, necessária para a integração dos diversos módulos autônomos do sistema. 
Na arquitetura de um SDCD, o subsistema de comunicação, conhecido também como via de dados, estabelece e arbitra as prioridades de comunicação e de comando em todas as áreas da empresa. Através das vias de dados, é possível toda integração hierárquica de informações industriais e empresariais, ou seja, dados oriundos do campo, a partir deste subsistema, passam a ser integrados a outros nos bancos de dados de gestão. 
Figura 9 – Esquema Básico de Comunicação em um SDCD
Fonte: GUTIERREZ, 2008.
Análise de Sistemas Dinâmicos Discretos
 A transformada de Laplace é uma transformada muito útil para a engenharia de controle. Para analisar sistemas de controle discretos, vamos aplicar a transformada de Laplace em um sinal discreto e veremos que o resultado será a transformada Z. Considere o sinal discreto (amostrado) e*(t) mostrado na figura 1.1, aplicando-se a transformada de Laplace na equação 1.1, teremos:
 
Sistemas Discretos
 Um sinal variante no tempo pode ser amostrado com um intervalo de tempo “T” formando uma sequência de valores discretos. Aplicando esta sequência discreta num sistema dinâmico contínuo, teremos uma resposta que será definida apenas nos instantes de amostragem, como ilustrado abaixo.
O trem de impulsos (t) é composto de vários impulsos (t) definido por:
 
A área do impulso (t) é igual a 1, o que expressa a magnitude do impulso. O sinal amostrado e *(t) pode ser descrito pela seguinte relação:
*(t) = (t) (t) = (kT)(t - kT)
Arquitetura Básica de um CLP
Figura 10 – Arquitetura Básica de um CLP
 
 Antes da década de 1935, as plantas de controle eram operadas manualmente, com poucos instrumentos para realizar o controle local, como ilustrado nas figuras 1.1. A introdução da eletrônica durante as décadas de 1950 e 1960, paralelamente com os avanços de dispositivos de processamento, permitiram o desenvolvimento de processos mais elaborados que pudessem utilizar formas de controle mais precisas. Com isso, percebeu-se a necessidade de criar sistemas aplicáveis e eficientes que pudessem receber informações da planta, processá-las e atuar sobre esse mesmo processo, tudo isso sob uma supervisão visual do operador (GUTIERREZ, 2008).
O trem de impulsos (t) é composto de vários impulsos (t) definido por:
 
A área do impulso (t) é igual a 1, o que expressa a magnitude do impulso. O sinal amostrado e *(t) pode ser descrito pela seguinte relação:
*(t) = (t) (t) = (kT)(t - kT)
MÉTODO DO LUGAR GEOMÉTRICO DAS RAÍZES (LGR)
Teste de localização de raízes para um sistema de segunda ordem
Considere o seguinte sistema de segunda ordem:
Controladores Série
 
 Em geral, o projeto de controladores série é mais simples que o de controladores por realimentação. Entretanto, normalmente exige amplificadores adicionais para aumentar oganho do sistema. Consiste em colocar o controlador no ramo direto de alimentação, ou seja, em série com a planta
Controladores por Realimentação
 Em geral, o número de componentes necessários na compensação por realimentação será menor que o número de componentes na compensação série. Esta configuração recebe este nome pois, neste caso, o compensador ou controlador é inserido num ramo de realimentação.
 Ou controlador
Implementação de controladores digitais
 O principal problema tratado neste capítulo é a implementação de algoritmos de controle em computadores digitais. Uma vez escolhida uma lei de controle e obtida sua representação discreta, é necessário implementá-la. Normalmente, não basta colocar a lei de controle na forma de um código de computador, existem importantes considerações que não podem ser desprezadas. É preciso, por exemplo, estabelecer comunicação com os sensores e atuadores e criar interfaces homem-máquina (IHM).
Os detalhes da implementação dependem dos hardware e software usados. Supondo uma implementação em um computador digital com relógio (RTC – Real Time Clock) e conversores A/D e D/A, um esquema geral poderia ser representado da seguinte forma:
Projeto de Controladores Digitais
Considere um sistema discreto descrito pelo seguinte diagrama de blocos:
A partir do mesmo podemos escrever que, Y(z) = G(z)D(z)[R(z) −Y(z)]
 
Controladores Deadbeat
 Um controlador deadbeat ou de resposta mínima é aquele que satisfaz as seguintes condições:
• O tempo de subida deve ser mínimo;
• O erro de regime deve ser zero.
Para um planta de ordem n o tempo mínimo é igual a nT, o problema a ser resolvido é obter D(z), tal que, para uma entrada degrau, ou seja, R(z) = (1 - z -1)-1 a resposta seja: y(k) =
r(k) = 1 para k ≥ n, com: u(k) = u(n) para k ≥ n.
Aplicando a transformada Z temos:
Conclusão 
Com desenvolvimento tecnológico contínuo de distintas formas de atuação em sistemas pode nos levar a considerar a reestruturação das formas de ação em controladores analógicos. O acompanhamento das preferências de consumo aponta para a melhoria das condições apropriadas. Pensando mais em longo prazo, a revolução dos costumes oferece uma interessante oportunidade para verificação das condições financeiras exigidas atualmente.
Este trabalho apresentou uma visão comparativa entre o desempenho de controladores analógicos, com o objetivo de mostrar a eficácia em atingir as especificações de desempenho exigidas para realizar o correto controle da planta disposta.
Após a análise do controlador digital e fazendo uso de ferramentas matemáticas foi possível observar resultados satisfatórios, chegando portanto, aos resultados esperados na comparação entre controladores analógicos e digitais.
Sendo assim, o estudo de controladores digitais está em constante expansão onde novas ferramentas e teorias surgem com o objetivo de melhorar cada vez mais essa área, os microprocessadores estão cada vez mais desenvolvidos o que permite usar um tempo de amostragem cada vez menor melhorando a resposta do sistema.
Referências
 DORF, R. C. e BISHOP, R. H. Modern Control Systems. Addison-Wesley, 1995.
 K. OGATA. Engenharia de Controle Moderno - Segunda Edição. Prentice-Hall do Brasil, 1990.
 G. F. FRANKLIN, J. D. POWELL e A. E. NAEINI. Feedback Control of Dynamic Systems. Addison-
Wesley, 1986.
ASTROM, K e Wittenmark, B. Computer-Controlled Systems-Theory and Design. Prentice-Hall Internat.,
1990.
K. OGATA.Dicrete-Time Control Systems. Prentice-Hall, 1987.
 FRANKLIN, G. F. e POWELL, J. D. Digital Control of Dynamic Systems. Addison-Wesley Publ., 1980.
 SMITH, C. L. Digital Computer Process Control. Intext Educational Publishers, 1972.