TRABALHO CONTROLADORES DIGITAIS

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Universidade Estadual do Piauí (UESPI)
Centro de Tecnologia e Urbanismo (CTU)
Curso: Bacharelado em Engenharia Elétrica
Professor: Brito
TRABALHO DE CONTROLE II
CONTROLADORES DIGITAIS
Luis Otávio
Lucas Lobão
João Daniel
Teresina, 21 de julho de 2019
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO........................................................................................3
FUNCIONAMENTO................................................................................4
MÉTODOS DE DISCRETIZAÇÃO..........................................................5
VANTAGENS E DESVANTAGENS........................................................6
EXEMPLOS.............................................................................................7
REFERÊNCIAS.......................................................................................8
CONTROLADOR DIGITAL – INTRODUÇÃO
	O estudo de controles digitais teve início ainda no século passado, tendo um grande avanço na década de 70, quando surgiram os circuitos integrados e microcomputadores.
	Apesar da complexidade dos estudos sobre o assunto, a abrangência de recursos que os controladores digitais apresentam é sem dúvida um avanço muito grande referente aos controladores analógicos.
Podemos dividir os controladores digitais em duas categorias: controladores digitais e controladores lógicos programáveis. Neste trabalho iremos falar apenas da primeira categoria. Um controlador digital é fisicamente implementado como uma rotina ou programa a ser executada sobre um microprocessador ou microcontrolador, que trabalha com sinais digitais (numéricos). Controladores digitais são mais versáteis que os controladores analógicos, já que podem ser modificados para acomodar mudanças de projetos sem modificar o hardware. Os componentes eletrônicos são mais confiáveis do que os componentes analógicos equivalentes. 
Por conta da utilização de programação juntamente com microprocessadores ou microcontroladores, o controlador digital acaba ganhando uma maior autonomia para funcionar sem uma supervisão e acaba sendo comumente utilizado para o controle de diversos sistemas como em pilotos automáticos de aeronaves, máquinas de papéis, medição e o controle de temperatura, ligar e desligar motores, dentre outras. 
COMO FUNCIONAM
Os controladores digitais são aplicações de microcontroladores em tarefas de controle, cujo propósito específico é executar um algoritmo gravado em sua memória ROM, e geralmente comunicando-se com dispositivos externos para que haja a troca de informações.
O programa gravado na memória ROM é em linguagem de máquinas ou linguagem assemble.
Explicando de forma simples, controle digital de um processo envolve o processo de amostragem. O sinal de saída é amostrado periodicamente com um certo período T. O sinal amostrado (também chamado de sinal analógico) passa por um conversor analógico/digital onde é quantizado e transformado em um sinal numérico. Este sinal digital é lido por um microprocessador ou microcontrolador que vai então realizar operações numéricas com este sinal e gerar outra palavra de n bits correspondentes à ação de controle que deverá ser aplicada sobre a planta no próximo instante de amostragem. Este sinal numérico é então convertido novamente em um sinal analógico com um conversor digital/analógico que disponibilizará, no próximo clock de amostragem, um sinal constante de tensão. Desta forma, entre dois instantes de amostragem, o sinal efetivamente aplicado pela planta é um sinal contínuo de amplitude fixa.
A escolha da frequência de amostragem deve ser feita considerando-se o teorema de Nyquist que diz: “A frequência de amostragem deve ser no mínimo duas vezes maior que a máxima frequência contida no sinal analógico a ser amostrado”. Isso deve ser feito para evitar o fenômeno de aliasing (superposição de espectro). Inconscientemente, se amostramos o sinal com uma frequência muito baixa, estaremos “perdendo” informações sobre a evolução do sinal amostrado, o que ocasionará um cálculo de um controle com maior incerteza. Para evitar este fenômeno, pode-se utilizar um filtro anti-aliasing. Colocado antes do dispositivo amostrador, este filtro funciona como um filtro passa-baixa que se encarrega de eliminar as componentes em frequência acima de 
MÉTODOS DE DISCRETIZAÇÃO DE CONTROLADORES
	Método de Euler: Método de Euler corresponde por aproximar o mapeamento entre os planos s e z por expansão de uma série truncada. Apesar da simplicidade, o método é pouco utilizado por ser pouco preciso.
	Método Diferencial: Este método é definido tomando como base a derivada da equação diferencial. Este método apresenta maior vantagem em relação ao método Euler com relação a estabilidade, entretanto não se pode inferir sobre a eficácia no desempenho de ambos.
	Método de Tustin: Este método é um dos mais aplicados na área de controle digital, pois apresentam resultados muito satisfatórios. Este método baseia-se integral representada pelo fator . Tal método se torna muito eficiente porque tem a propriedade de transformar uma função de transferência contínua estável em uma função de transferência discreta estável.
	Método dos Elementos Retentores: Nesse método um elemento Q(s) é colocado em série com a planta que se pretende discretizar, tendo como objetivo, transformar os impulsos discretos à sua entrada em sinais contínuos à sua saída. A característica do sistema ZOH é a de impor que, nos instantes de amostragem, o sinal e(t), tenha o mesmo valor que e*(t). O elemento retentor mais utilizado é o ZOH, representado por um interpolador retangular.
Função de transferência discreta obtida a partir de tais sistemas 
VANTAGENS E DESVANTAGENS
As vantagens são inúmeras, porém também existem as limitações desse tipo de controlador.
Algumas das vantagens são:
Sinais digitais são representados com muita precisão usando bits zero e um. Quando comparado ao analógico, onde ruído e variação de tensão de alimentação estão sempre presentes, o erro obtido é pequeno.
Como o processamento digital de sinais de controle envolve adição e multiplicação de números digitais, não há erros devido a variação de componentes. Erros devido à representação digital e cálculos aritméticos podem vir a ser desprezíveis.
Um controlador digital implementado em firmware ou software, é facilmente modificado sem a substituição do controlador original.
Computadores com maior capacidade de processamento permitem amostrar e processar sinais de controle à altíssimas velocidades e reduzidos períodos de amostragens. Pequenos períodos de amostragem significam que o controlador monitora a variável controlada quase que continuamente.
O avanço da tecnologia possibilitou a obtenção de circuitos integrados melhores e mais rápidos, com preços mais baixos.
Algumas das desvantagens:
A análise matemática e o projeto do sistema de controle pode ser muito complexo e tedioso.
Há perda de informação, já que o sinal reconstruído é uma aproximação do sinal contínuo.
Por conta da complexidade dos algoritmos, o software fica mais propenso a erros.
EXEMPLOS DE CONTROLADOR DIGITAL
	
	A foto acima é um controlador digital de temperatura que através de sensores consegue captar informações como o nível de água e temperatura, evitando desperdícios desnecessários. Além da comodidade seu processo de controle permite a programação da ativação do aquecedor elétrico quando a temperatura do reservatório não for considerada suficiente, permite o controle de entrada de água com a programação estipulada em horários, fazendo com que sempre tenha água quente nos horários desejados. 
	Este outro controlador serve para automatizar o funcionamento das bombas de calor, possibilitando ajustes de controle de temperatura em reservatórios térmicos e piscinas para maior conforto do usuário. Este instrumento proporciona maior segurança às instalações devido suas entradas digitais, as quais permitemo desarme do sistema através de controles de pressão alta/baixa e fluxo ou temperatura (dependendo do modo de operação adotado). O funcionamento da bomba de calor pode ser configurado para acionamento pleno após tempo pré-determinado de SCAN (verificação de funcionamento de sistema).
REFERÊNCIAS
http://www.uel.br/ctu/deel/TCC/TCC2010_RafaelMonzani.pdf
http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node17.html
http://paginapessoal.utfpr.edu.br/brero/control_2/1_INTRODUCaO.pdf/at_download/file
http://www.ene.unb.br/adolfo/Lectures/CDig/ControleDigitalENEUnB.pdf