ED-Modulo 0

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INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE CONTROLE
 
 
1.1 O Problema do Controle – Por Que Controlar?
De forma resumida, o controle visa garantir que uma variável de saída de um sistema físico ou processo, chamada comumente de
resposta, seja ajustado adequadamente por meio de um sinal de erro. Este sinal de erro é constituído da diferença entre resposta do
sistema, medida por um sensor, e o sinal de referência, que apresenta a resposta desejada.
Desta forma o engenheiro de Controle e Automação deve projetar controladores responsáveis pela modificação do sinal de erro, de
forma a garantir o alcance de critérios de desempenho determinados a priori.
Geralmente os critérios de controle contemplam:
Rejeição a distúrbios;
Erro em regime estacionário;
Características da resposta transitória;
Sensibilidade a mudanças de parâmetros na planta de controle.
Cabe ao engenheiro de Controle e Automação:
Escolher sensores adequados para a medição da saída da planta;
Escolher os atuadores que comandarão a planta;
Desenvolver modelos para a planta, sensores e atuadores;
Projetar o controlador com base nos modelos obtidos e no critério de controle;
Avaliar  o  projeto  analiticamente  via  simulação,  e  posteriormente  testar  o  sistema  físico.  Se  os  resultados  obtidos  forem
insatisfatórios, repetir a operação.
Os modelos obtidos para as plantas, sensores e atuadores geralmente possuem simplificações, de modo que a resposta esperada não é
atingida no sistema físico. Assim, o processo de criação de um sistema de controle é iterativo. A cada iteração, o projetista incorpora
modificações que visam aprimorar o desempenho do sistema e então verifica os resultados. Estes relacionamentos são ilustrados na
figura 1.1. 
Figura 1.1: Solução matemática de sistemas físicos
 
Na prática as fases de maior dificuldade são a de formulação matemática do problema, ou seja, a construção do modelo, e a tradução
da solução matemática deste modelo eu um sistema físico.
1.2 Terminologia do Controle
Faz­se necessário a compreensão de alguns termos comumente usados na área de controle de processos. São eles:
PROCESSO: Série de ações controladas objetivando uma meta.
DISTÚRBIO: Sinal que tende a afetar adversamente o valor de saída de um sistema. Pode ser interno ou externo ao sistema.
SERVOMECANISMOS: Sistema de controle realimentado no qual a saída é alguma posição, velocidade ou aceleração. O
termo servomecanismo é sinônimo de sistema de controle de posição, velocidade ou aceleração.
SISTEMA: Uma combinação de componentes que agem em conjunto no desempenho de uma função que seria impossível
para qualquer das partes isoladamente. Difere de uma planta por não ser limitado por elementos físicos.
SISTEMA EM MALHA FECHADA: É um sistema na qual alguns sinais de excitação (entrada) são determinados, em parte,
por certas respostas (saídas) do sistema. Portanto, as entradas do sistema são funções de suas saídas.
Figura 1.2: Sistema em malha fechada
 
 
 
SISTEMA EM MALHA ABERTA: É um sistema complementar ao de malha fechada, ou seja, suas entradas não são funções
de suas saídas.
SENSOR: Dispositivo de detecção ou medição de variáveis do processo. São exemplos de sensores os termopares, medidores
de pressão, de temperatura, de nível, de massa específica, de vazão, encoders, tacômetros, etc.
VARIÁVEL CONTROLADA: Grandeza a ser controlada medida pelo sensor.
 
Figura 1.3: Variável controlada e sensor 
 
 
PLANTA: Qualquer objeto físico (equipamento ou parte dele) a ser controlado.
ATUADOR: Dispositivo de acionamento. São exemplos de atuadores as bombas, válvulas (hidráulicas, elétricas ou
pneumáticas), motores, chaves, etc.
VARIÁVEL MANIPULADA: Grandeza que é variada pelo atuador de modo a afetar o valor da variável controlada.
 
Figura 1.4: Atuador, planta e variável manipulada. 
 
 
CONTROLADOR: Dispositivo que, a partir do sinal de erro, determina o sinal de comando para o atuador, de forma a manter
a variável controlada no valor desejado.
CANAL DIRETO: A unidade que reage ao sinal atuante a fim de produzir a resposta desejada.
RESPOSTA: Grandeza que deve acompanhar o sinal de controle.
CANAL DE RETROAÇÃO: Unidade que propicia o meio de retroação de resposta.
GANHO DO SISTEMA: Relação entre a saída e a entrada de um sistema.
A forma geral de um sistema de controle em malha fechada é a vista na figura 1.5.
Figura 1.5: Sistema de controle típico em malha fechada
 
De posse de modelos coerentes para o atuador, a planta e o sensor, é necessário o projeto de um controlador para que um sistema em
malha fechada exiba as características de desempenho desejadas.
 
1.3 Classes de Sistema de Controle
Os sistemas de controle são, em geral, divididos em duas classes. Se o objetivo do sistema de controle é manter uma variável a um
valor constante, mesmo na presença de distúrbios, o sistema é denominado regulador. Um exemplo de sistema regulador é o sistema
de controle de velocidade dos geradores AC das centrais elétricas. A meta do controle é manter a velocidade no valor constante que
resulta em uma tensão elétrica gerada com freqüência de 60 Hz. Outro exemplo de regulador é o sistema biológico que mantém a
temperatura do corpo humano em aproximadamente 36°C em ambientes que geralmente estão submetidos a temperaturas diferentes.
A segunda classe de sistemas de controle incorpora os servomecanismos, nos quais é desejável que uma variável siga uma função do
tempo pré­determinada. Um exemplo deste tipo de sistema é o sistema automático de aterrissagem de aeronaves, no qual a aeronave
segue um padrão de altitude até o ponto de contato desejado.
 
1.4 Malhas abertas ou malhas fechadas?
Diversas atividades do cotidiano envolvem o  ser humano como parte de um sistema de controle em malha  fechada. Uma pessoa
dirigindo um veículo está constantemente “medindo” a posição e a direção do veículo. Se elas não são satisfatórias basta tomar as
ações corretivas necessárias. Outro exemplo simples é uma pessoa desenhando: ela está constantemente observando a posição do
lápis,  na  tentativa  de  produzir  o  traçado  desejado. Um  goleiro  de  futebol  também  é  parte  de  um  sistema  de  controle  em malha
fechada. Ele deve controlar a posição de suas mãos de forma a evitar que a bola ultrapasse pela meta defendida por ele.
Mas,  como  entender  o  conceito  de malha  aberta? Basta  imaginar  uma  pessoa  desenhando  com os  olhos  vendados. Não  existe  a
observação (medição) do estado atual da saída (posição do lápis), de forma que qualquer correção para o estado desejado é quase
impossível.
Um exemplo simples de sistema em malha aberta é o controle de velocidade de rotação de uma furadeira manual, executado pela
pressão (maior ou menor) exercida pelo operador no gatilho.
Deve­se  notar  que,  para  a  mesma  pressão  no  gatilho  a  velocidade  de  rotação  na  furadeira  quando  submetida  ao  esforço  (pela
superfície  a  ser  perfurada)  é  menor  do  que  aquela  que  seria  desenvolvida  na  ausência  de  esforço.  Em  outras  palavras,  não  há
influência da saída capaz de alterar a entrada de forma a manter a velocidade de rotação constante.
Na prática esta correção é executada pelo operador que aumenta a pressão no gatilho quando percebe a diminuição de velocidade de
rotação.
Os  sistemas  em malha  aberta  apresentam  baixo  custo  e  são  de  fácil  construção.  Em  contrapartida,  possuem  alta  sensibilidade  a
distúrbios externos e variáveis de comportamento de seus componentes. Já os sistemas de controle em malha fechada apresentam
custo relativamente elevado; no entanto, rejeitam os distúrbios externos e são capazes de adaptar­se a mudanças de comportamento
de seus componentes.
 
Exercício 1:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Uma combinação de componentes que agem em conjunto no desempenho de umafunção que seria impossível para qualquer das
partes isoladamente. Difere de uma planta por não ser limitado por elementos físicos"
A ­ Sensor 
B ­ Sistema   
C ­ Servomecanismo   
D ­ Controlador 
E ­ Atuador   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 2:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Grandeza que é variada pelo atuador de modo a afetar o valor da variável controlada."
A ­ Sistema   
B ­ Atuador   
C ­ Controlador   
D ­ Variável manipulada   
E ­ Servomecanismo   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 3:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Dispositivo de detecção ou medição de variáveis do processo. São exemplos os termopares, medidores de pressão, de temperatura,
de nível, de massa específica, de vazão, encoders, tacômetros, etc."
A ­ Sistema   
B ­ Sensor   
C ­ Atuador   
D ­ Controlador   
E ­ Servomecanismo   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 4:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Dispositivo que, a partir do sinal de erro, determina o sinal de comando para o atuador, de forma a manter a variável controlada
no valor desejado."
A ­ Sensor 
B ­ Sistema   
C ­ Controlador   
D ­ Servomecanismo   
E ­ Variável manipulada   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 5:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"É um sistema complementar ao de malha fechada, ou seja, suas entradas não são funções de suas saídas."
A ­ Sistema em malha fechada   
B ­ Controlador   
C ­ Servomecanismo   
D ­ Sistema em malha aberta   
E ­ Sensor   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 6:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Dispositivo de acionamento. São exemplos as bombas, válvulas (hidráulicas, elétricas ou pneumáticas), motores, chaves, etc."
A ­ Planta   
JULIA
Realce
JULIA
Realce
JULIA
Realce
JULIA
Realce
JULIA
Realce
B ­ Ganho do sistema   
C ­ Sensor   
D ­ Controlador   
E ­ Atuador   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 7:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Qualquer objeto físico (equipamento ou parte dele) a ser controlado."
A ­ Atuador   
B ­ Planta   
C ­ Controlador   
D ­ Sensor   
E ­ Ganho do sistema   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
Exercício 8:
Dada a definição abaixo, assinale a alternativa correta:
"Relação entre a saída e a entrada de um sistema.."
A ­ Ganho do sistema   
B ­ Sistema em malha fechada   
C ­ Sensor   
D ­ Planta   
E ­ Sistema em malha aberta   
Comentários:
Essa disciplina não é ED ou você não fez comentários
JULIA
Realce
JULIA
Realce
JULIA
Realce