01 Introdução Controle I e Automação 22 fev 2018 revisao

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ENGENHARIA ELÉTRICA
2018.1
Xº. Semestre
Referências:
Engenharia de Controle Moderno – Katsuhiko OGATA
Engenharia de Sistemas de Controle – Norman S. Nise
Projetos, Simulações e Exp. Lab. em Sistemas de Controle – Antonio Souza et. al.
Prof. André Marcato
Profa. Mariana Murari
Aula de apresentação de sistemas de
Controle I 
e
 Automação 
AlarmsOnline
Alarm Printer
Intelligent Transmitter 
Remote I/O
Fieldbus Moduls 
Migration 
FoxComm
HART
Foundation Fieldbus
Profibus DP/PA
Modbus
PLC
Remote I/O
PLC
High Speed Ethernet Fieldbus (100MBit) Fibre
FBM200
Triconex
TMR FS-PLC
(TÜV AK6 / NRC SER)
Mobile
Workstation
Control
Processor
(redundant)
Applikation -
Workstation
Workstation
Applikation-Workstation
Server
Workstation
Server/
Computer
Unix / VMS
etc.
optional
Personal Computer-
W95/98,2000,NT,XP
X-Terminal
Terminal Server Client
Web-Server
Office-Client
Data analyser
Internet / Intranet
Client
Internet /Intranet
Historian Server/Client
2nd Ethernet - TCP/IP, Novell, DECnet, NFS, SNA, X.25, OSI
Office Network 
Alarm Management
Systembus / MESH Ethernet 100 MBit/1Gbit Fibre
(redundant)
(redundant)
(redundant)
(redundant)
ARQUITETURA DE AUTOMAÇÃO DE UMA GRANDE INSTALAÇÃO INDUSTRIAL
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Tendo em vista que os sistemas modernos, dotados de muitas entradas e muitas saídas, se tornam mais e mais complexos, a descrição de um tal sistema de controle envolve um grande número de equações.
A TEORIA DE CONTROLE CLÁSSICA, que trata somente de sistemas com uma única entrada e uma única saída, tornou-se insuficiente para lidar com sistemas de entradas e saídas múltiplas.
A partir de 1960, aproximadamente, a disponibilidade dos computadores digitais tornou possível a análise, no domínio do tempo, de sistemas complexos, ensejando o desenvolvimento da MODERNA TEORIA DE CONTROLE baseada nas técnicas de análise e síntese através de VARIÁVEIS DE ESTADO.
Esta teoria foi desenvolvida com o objetivo de tratar a complexidade crescente dos sistemas modernos e atender às rigorosas exigências quanto a peso, exatidão e custos de projetos relativos às aplicações militares, espaciais e industriais.
Agora que os computadores digitais vêm se tornando mais baratos e mais compactos, é crescente a sua utilização como parte integrante dos sistemas de controle.
INTRODUÇÃO
Malha aberta 
ação de controle é pré-determinada e espera-se que o processo atinja uma condição desejável ao final de um determinado tempo, logo é independente da saída
Malha fechada
ação de controle é determinada de acordo com a saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle
CONCEITOS BÁSICOS DE CONTROLE
CONCEITOS BÁSICOS  Malha Aberta
Os sistemas nos quais o sinal de saída não afeta a ação de controle são chamados sistemas de controle a malha aberta.
Nesses tipos de controle, o sinal de saída não é comparado com o SP-setpoint (PF-ponto fixo) com a finalidade de manipular o elemento final de controle.
Componentes básicos da malha de controle:
Sensor – Elemento primário da malha de controle;
Transmissor – Elemento secundário da malha de controle;
Controlador – Elemento que “comanda” a malha;
Elemento final de controle – válvula de controle, bomba dosadora, inversor de frequência, etc. 
CONCEITOS BÁSICOS  Malha Fechada
CONCEITOS BÁSICOS  Malha Fechada
SP
PV
MV
Ex: Controle de temperatura de processo em malha fechada
 
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SP
PV
MV
Purgador termostático
Válvula de controle
Spirax Sarco
Malha de vazão Yokogawa
Válvula de controle
Trocador de calor
Válvula de Controle
Sistema de controle em malha fechada - Yokogawa
DEFINIÇÕES E TERMOS TÉCNICOS
FAIXA – A faixa de um instrumento é dada pelo valores mínimo e máximo da variável 
AMPLITUDE – Por definição, é a diferença entre os valores mínimo e máximo da FAIXA
ZERO – O zero do instrumento associa o valor mínimo da FAIXA 
Fonte: Aulas Professor Yuri
CONCEITOS BÁSICOS  Malha Aberta
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p. ex., variação na pressão do vapor
PROCESSO (trocador de calor
Ex: Controle de temperatura em malha fechada
Considerando uma perturbação no processo
VARIÁVEL CONTROLADA (PV) : É a grandeza ou a condição que é medida e controlada.
VARIÁVEL MANIPULADA (MV): É o agente físico que recebe a ação do controlador e altera o meio controlado com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado. 
SISTEMAS A CONTROLAR: Um sistema é uma parte de um equipamento, ou eventualmente, um conjunto de itens de uma unidade de produção
DISTÚRBIOS: É toda variável de entrada, medida ou não medida, que afeta a variável controlada. Por definição um distúrbio não pode ser manipulado. 
CONTROLE COM RETROAÇÃO: ou controle a malha fechada se refere a uma operação que, em presença de distúrbios, tende a reduzir a diferença entre o sinal de saída de um sistema e o sinal de referência, e que opera com base nesta diferença.
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Definições
SETPOINT (SP) OU SET VALUE (SV):
 É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer.
Sistemas de controle monovariáveis e multivariáveis
SISO (Single Input Single Output): uma entrada e uma saída
MISO (Multiple Input Single Output): várias entradas e uma saída
SIMO (Single Input Multiple Output): uma entrada e várias saídas 
MIMO (Multiple Input Multiple Output): várias entrada e várias saídas
Entrada:  Causa
Saída:  Conseqüência
CONCEITOS BÁSICOS DE CONTROLE
Controle – quanto ao setpoint:
Controle regulatório  setpoint constante
Controle Servo  setpoint variável
(conforme uma determinada programação)
Definições
Controle regulatório – setpoint constante 
Definições
Controle Servo – setpoint variável
Definições
TEORIA DE CONTROLE
As aplicações da teoria e prática no controle automático propiciam meios para se atingir desempenho ótimo de sistemas dinâmicos, melhoria da produtividade, alívio no trabalho enfadonho de muitas operações manuais repetitivas, etc.
Teoria de Controle
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A teoria de controle estuda o comportamento dos sistemas de várias origens: 
	Mecânica;
	Elétrica;
	Química;
	Biológica, 
	 ou ainda, de uma mistura desses.
Ela está envolvida com uma série de conceitos fundamentais:
Sistemas lineares e sistemas não-lineares. 
Sistemas invariantes no tempo e variantes no tempo.
Sistemas a parâmetros concentrados. 
Sistemas a parâmetros distribuídos.
Esses sistemas são representados pelas:
Equações diferenciais ordinárias. 
Equações diferenciais parciais. 
Teoria de Controle
É a elaboração de um conjunto de equações que representam a dinâmica do sistema;
Vários modelos podem ser construídos para um determinado sistema;
A dinâmica de muitos sistemas é representada por meio de equações diferenciais obtidas através de leis físicas (Newton, Kirchhoff, balanço de massa, balanço de energia, da cinética de reação, etc.);
O modelo é necessário para a aplicação dos métodos clássicos de sintonia de malhas de controle.
MODELAGEM (pg. 48)
Teoria de Controle
Um sistema empresarial pode ser constituído de muitos grupos funcionais.
Cada uma das tarefas alocadas a um determinado grupo representará um elemento dinâmico do sistema.
Para uma administração apropriada, é imperativo o estabelecimento de um sistema de previsão bem fundamentado, com base em dados estatísticos.
Para aplicar a teoria de controle com o objetivo de melhorar o desempenho de um sistema deste tipo, deve-se representar as características dinâmicas de cada um dos grupos componentes do sistema, por meio de um conjunto de equações relativamente simples.
Ou ainda, em sistemas mais complexos, realizar modelagens matemáticas de todo um sistema produtivo, servindo para diversas atividades de melhoramento de performance e qualidade.
Embora seja, sem dúvida, um problema difícil de obteruma descrição dos grupos funcionais por meio de representações matemáticas, a aplicação das técnicas de otimização a sistemas empresariais, melhora significativamente o desempenho destes sistemas.
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Modelagem Matemática: SISTEMAS EMPRESARIAIS:
cw
A teoria do controle convencional é aplicável apenas a sistemas monovariáveis, lineares e invariantes no tempo. São representados pelas equações diferenciais ordinárias.
Sistemas determinísticos são os sistemas que podem ser descritos por equações diferenciais ordinárias ou equações diferenciais parciais (Luyben pg. 16)
Os SISTEMAS LINEARES são os sistemas onde o princípio da superposição se aplica. Estabelece que a resposta produzida pela aplicação simultânea de duas excitações diferentes, é igual à soma das duas respostas individuais, a cada uma das excitações (Ogata pg. 49)
MODELAGEM (pg. 48)
Vale então, a regra: “Simplicidade versus Precisão”
Deve-se conciliar a simplicidade do modelo e a precisão dos resultados da análise;
Para a obtenção de um modelo matemático linear (objetivando a aplicação da Transformada de Laplace), às vezes torna-se necessário desprezar certas não linearidades e parâmetros distribuídos (desde que isto não cause impactos na precisão dos resultados e atendam aos objetivos inicialmente traçados);
Geralmente, constrói-se um modelo simplificado que leva à uma percepção geral do sistema e, em seguida, são introduzidas sofisticações na modelagem.
Simplicidade versus Precisão (pg. 48)