Aula1 IntroSistemasControle

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Profa. Lígia M. C. S. Cordeiro Controle e Servomecanismo
Instituto de Engenharias e Desenvolvimento Sustentável – UNILAB
Engenharia de Energias
Introdução aos Sistemas de Controle
Disciplina: Controle e Servomecanismo
Prof. Lígia Sousa Cordeiro
Introdução
• CONTROLE é o ato de comandar, dirigir, ordenar ou manipular
• Teoria de controle:
– Teoria de controle clássico: métodos baseados principalmente na resposta 
em freqüência e lugar geométrico das raízes 
– Teoria de controle moderno: começou a ser desenvolvida para atender a 
complexidade crescente de modernos processos, requisitos rigorosos e 
estreitos de precisão, peso e custo em aplicações militares, espaciais e 
industriais. Técnicas no domínio do tempo. Sistemas multivariáveis
– Teoria de controle robusto: tendências mais atuais da teoria de controle. 
Controle digital. Controle ótimo, Controle Adaptativo, Controle robusto, 
Controle inteligente (Fuzzy, Neural, Neural-Fuzzy). 
• Disciplina → foco na teoria de controle clássico e moderno
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Introdução
• O controle (automático) é essencial em qualquer campo da engenharia e da 
ciência. 
• Intrínseco em sistemas de veículos espaciais, sistemas robóticos, modernos 
sistemas de manufatura e operações industriais que envolvam controle de 
temperatura, pressão, vazão, viscosidade, etc.
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Histórico
• Ktesibios (Grécia - 300 a. C.) : relógio de água, possui um 
princípio de funcionamento semelhante controle de nível 
por bóia. 
• Philon (Grécia - 250 a. C.) : lampião a óleo com controle 
por bóia. 
• Heron (Alexandria – século I d. C.) : publicação do livro: 
Pneumática, no qual esboçou várias formas de 
mecanismos de nível de água usando reguladores com 
bóia. 
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Histórico
• James Watt (séc. XVIII): regulador de velocidade de motores a vapor. Neste 
dispositivo duas esferas giratórias se elevam, à medida que a velocidade de 
rotação aumenta. 
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Histórico
• Nicholas Minorski (1922): trabalhou em controladores automáticos para
pilotagem de embarcações e demonstrou como a estabilidade poderia ser
determinada a partir de equações diferenciais que descrevem o sistema. A sua
teoria aplicada à manobrabilidade automática de navios levou ao que hoje
chamamos de controladores PID, ou controladores de três modos.
• H. W. Bode (1932): desenvolveu um procedimento relativamente simples para a
determinação da estabilidade de sistemas de malha fechada com base na
resposta de malha aberta a excitações senoidais estacionárias.
• Hazen (1934): introduziu o termo servomecanismo para sistemas de controle de
posição. Discutiu o projeto de servomecanismo a relé, capazes de acompanhar
uma variação de entrada com precisão.
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Histórico
• Década de 40: os métodos de resposta em frequência (especialmente Diagrama
de Bode) tornaram possível aos engenheiros projetar sistemas de controle linear
de malha fechada que satisfizessem o desempenho requerido.
• Ziegler e Nichols (início década de 40): criaram regras para o ajuste de
controlador PID em sistemas de controle industrial.
• Evans (final década de 40 – início de década de 50): o método do lugar das
raízes foi plenamente desenvolvido.
• Os métodos de resposta em frequência e do lugar das raízes (essência da
teoria clássica de controle) conduziram a sistemas que são estáveis e
satisfazem um conjunto de desempenho relativamente arbitrárias. Tais
sistemas são aceitáveis, contudo não são ótimos.
• Além disso, a teoria clássica de controle, que trata somente de sistemas com
uma entrada e uma saída, tornou-se insuficiente para sistemas com múltiplas
entradas e saídas.
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Histórico
• A partir do final da década de 50:
– A ênfase nos problemas com projetos de controle foi deslocada do projeto de
um dentre muitos sistemas que funcionam para o projeto de um sistema que
seja ótimo em algum aspecto relevante.
– Surgiu a teoria do controle moderno. Possibilitou a análise dos sistemas
complexos (multivariáveis) diretamente no domínio do tempo com o emprego
de variáveis de estado.
• Entre 1960 e 1980: O controle ótimo de sistemas determinísticos e estocásticos,
bem como o controle adaptativo e de aprendizagem foi amplamente pesquisado.
• A teoria de controle moderno baseia-se na análise do domínio do tempo em
sistemas de equações diferenciais. Ela simplificou o projeto de sistemas
desde que se baseia no modelo de um sistema de controle real.
• Visto que a estabilidade do sistema é sensível ao erro entre o sistema real e o
seu modelo → o controlador projetado a partir de um modelo ao ser aplicado a
um sistema real, tal sistema poderá não ser estável.
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Histórico
• A teoria de controle robusto projeta o sistema estabelecendo primeiro a
gama de possíveis erros para depois projetar o controlador de uma forma
que, se o erro do sistemas estiver dentro da gama prevista, o sistema de
controle projetado estará sempre estável.
• Tal teoria incorpora tanto a abordagem de resposta em frequência quanto a
abordagem no domínio do tempo. Matematicamente, é uma teoria bastante
complexa.
• Entre 1980 e 1990: Os desenvolvimentos na teoria de controle moderno se
voltaram para o controle robusto e tópicos associados.
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Definições
• Variável controlada: grandeza ou condição que é medida e controlada. 
Normalmente é a saída do sistema.
• Variável manipulada ou sinal de controle: grandeza ou condição modificada 
pelo controlador de modo que afete o valor da variável controlada.
• Controlar significa medir o valor da variável controlada do sistema e utilizar a 
variável manipulada ao sistema para corrigir ou limitar os desvios do valor 
medido a partir de um valor desejado.
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Controlador Sistema
Variável 
Manipulada
Variável 
ControladaReferência
Definições
• Plantas: uma parte de equipamento ou apenas um conjunto de componentes de 
um equipamento que funcione de maneira integrada, com o objetivo de realizar 
determinada operação. Qualquer objeto físico a ser controlado.
• Processo: uma operação contínua progressiva que consiste em uma série de 
ações ou movimentos controlados destinados a atingir determinado fim ou 
resultado. É toda operação a ser controlada.
• Sistema: É a combinação de componentes que agem em conjunto para atingir 
determinado objetivo. Sistemas físicos, biológicos, econômicos e outros.
• Distúrbio: Sinal que tende a afetar de maneira adversa o valor da variável de 
saída do sistemas. 
• Controle com realimentação: operação que, na presença de distúrbio, tende a 
diminuir a diferença entre a saída de um sistema e alguma entrada de referência 
e atua com base nessa diferença. Consideramos apenas distúrbios previsíveis, 
os quais podem ser compensados no sistema. 
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Definições
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Controlador Sistema
Medição
Variável 
Manipulada
Variável 
Controlada
Entrada
Referência Erro
Distúrbio
Exemplos
• Sistema de controle de velocidade
– O principio básico do regulador de Watt de velocidade para um motor.
– A quantidade de combustível fornecida ao motor é ajustada de acordo com a 
diferença entre a velocidade esperada e a velocidade efetiva do motor.
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Exemplos
• Sistema de controle de velocidade
– O reguladorde velocidade é ajustado de modo que não haja fluxo de óleo 
sob pressão em ambos os lados do interior do cilindro de potencia. 
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Exemplos
• Sistema de controle de velocidade
– Se a velocidade real cai abaixo do valor desejado em decorrência de um 
distúrbio → a diminuição da força centrifuga do regulador de velocidade faz 
com que a válvula de controle se mova para baixo, fornecendo mais 
combustível e a velocidade do motor aumente até o valor desejado.
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Exemplos
• Sistema de controle de velocidade
– Se a velocidade real aumenta acima do valor desejado → o aumento na 
força centrifuga do regulador de velocidade faz com que a válvula de 
controle se desloca para cima, diminuindo o suprimento de combustível e a 
velocidade do motor.
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Exemplos
• Sistema de controle de velocidade
– Planta (sistema controlado): motor
– Variável controlada: velocidade do eixo do motor
– Sinal de controle a ser aplicado a planta: quantidade de combustível
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Exemplos
• Sistema de controle de temperatura de um forno elétrico
– A temperatura do forno é medida por um termômetro (analógico)
– O sinal analógico de temperatura é convertido em sinal digital.
– O sinal digital é fornecido ao controlador por meio de uma interface e 
comparado a um sinal de temperatura de referencia
– Se houver erro, o controlador envia um sinal ao aquecedor, por meio de uma 
interface, amplificador e relé, fazendo com que a temperatura do forno atinja 
o valor desejado.
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Sistema de controle de malha aberta x malha fechada
• Sistemas de controle de malha aberta
– São aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhum ação de controle 
no sistema. 
– O sinal de saída não é medido e nem utilizado para comparação com a 
entrada de referência. 
– Ex. Máquina de Lavar Roupas. As operações de molho, lavagem e enxágüe
são executadas em função do tempo (operação temporizada). O sinal de 
saída não é medido, ou seja, não é verificado se as roupas estão bem 
lavadas ou não. 
– Para cada entrada de referência, há uma condição fixa de operação (sinal de 
controle pré-determinado) → A precisão do sistema depende de uma 
calibração.
– Na presença de distúrbios, tal sistema não executa a tarefa desejada.
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Controlador Sistema
Variável 
Manipulada
Variável 
ControladaReferência
Sistema de controle de malha aberta x malha fechada
• Sistemas de controle de malha aberta
– Situação exemplo: Imagine um automóvel sem velocímetro. Deseja-se 
manter a velocidade constante em um determinado valor: 80km/h, por 
exemplo. 
– O motorista estima então com qual pressão ele deverá pisar no acelerador e 
mantém o acelerador com esta pressão. Dependendo da experiência do 
motorista a velocidade final poderá ser próxima dos 80km/h, mas somente 
com muita sorte ele conseguirá manter a velocidade em 80km/h. 
– Por outro lado, se algum obstáculo aparecer (por exemplo: uma lombada), 
com certeza a velocidade será alterada. 
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Controlador Sistema
Variável 
Manipulada
Variável 
ControladaReferência
Sistema de controle de malha aberta x malha fechada
• Sistemas de controle de malha fechada
– São aqueles que estabelecem uma relação de comparação entre a saída e a 
entrada de referência, utilizando a diferença como meio de controle. 
– Ex. Sistema de controle de temperatura de um ambiente. Medindo-se a 
temperatura ambiente real e comparando-a com a temperatura de referência, 
o termostato ativa ou desativa o equipamento de aquecimento ou 
resfriamento, de modo que a temperatura permaneça em um nível 
confortável independente das condições externas
– Também chamado de sistema de controle com realimentação, desde que o 
mesmo sempre utiliza do controle com realimentação para reduzir o erro do 
sistema. 
– Na presença de distúrbios, tal sistema se adapta.
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Controlador Sistema
Medição
Variável 
Manipulada
Variável 
Controlada
Entrada
Referência Erro
Distúrbio
Sistema de controle de malha aberta x malha fechada
• Sistemas de controle de malha fechada
– Situação exemplo: Considere o mesmo exemplo do automóvel. Suponha 
agora que o carro possui um velocímetro. 
– O motorista pode então monitorar a velocidade e variar a pressão com que 
ele pisa no pedal de forma a manter a velocidade no valor desejado. 
– Se a velocidade passar do valor desejado ele "alivia o pé", e, se a velocidade 
cair um pouco do valor desejado ele "pisa" um pouco mais forte no 
acelerador. 
– O mesmo tipo de controle ele fará quando estiver subindo ou descendo uma 
lombada. 
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Controlador Sistema
Medição
Variável 
Manipulada
Variável 
Controlada
Entrada
Referência Erro
Distúrbio
Sistema de controle de malha aberta x malha fechada
• Sistemas de controle de malha fechada
– Vantagem: de construção mais simples, do ponto de vista da estabilidade
– Desvantagem: possui uma tendência de correção de erros além do 
necessário, causando oscilações.
– Usados em sistemas nos quais as entradas são conhecidas com 
antecipação e que são isentos de distúrbios. 
• Sistemas de controle de malha fechada
– Vantagem: devido a realimentação, o sistema é mais estável a distúrbios 
externos e a variações internas dos parâmetros do sistema. 
– Desvantagem: maiores, mais caros e de potência mais elevada. 
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Controlador Sistema
Medição
Variável 
Manipulada
Variável 
Controlada
Entrada
Referência Erro
Distúrbio
Projeto e Compensação de Sistemas de Controle
• Sistemas de controle são projetados para realizar tarefas especificas. 
• Os requisitos impostos no sistema de controle são geralmente explicitados como 
especificações de desempenho, as quais podem ser valor numéricos ou 
afirmações qualitativas.
• Processo de projetar um sistema de controle:
– obtenção de um modelo matemático do sistema de controle 
– ajuste dos parâmetros do compensador: feito através de um protótipo para 
testar a estabilidade do sistema e o atendimento as especificações. 
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Projeto e Compensação de Sistemas de Controle
• Compensação é a modificação da dinâmica do sistema para satisfazer as 
especificações dadas.
• A escolha do compensador é feita com base na natureza da planta a ser 
controlada: 
– Se inclui liquido inflamável: compensador e atuador com componentes 
pneumáticos para evitar a possibilidade de faíscas
– Se não há riscos de incêndios, os compensadores eletrônicos são os mais 
utilizados.
• Abordagens para o projeto e compensação:
– Técnica do lugar das raízes
– Técnica da resposta em frequência
– Técnica de espaço de estados
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• Capítulo 1 – Introdução ao sistemas de controle
– OGATA, Katsuhiko. “Engenharia de Controle Moderno”, 4ª Edição. Rio de 
Janeiro: Prentice-Hall do Brasil, 2003. 
Bibliografia
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