Controle de Processos - Aula 1 - Introdução ao Controle de Processos

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Introdução ao Controle de 
Processos
Prof. Me. Breno Avelar Rodrigues de Andrade
Faculdade FACID WYDEN
Curso: Engenharia Elétrica
Disciplina: Transmissão de Energia Elétrica
Sistemas de Controle
• Aplicações
 Foguetes
 Ônibus espacial decola para orbitar a Terra
 Peça metálica é usinada automaticamente
 Veículo autônomo distribuindo materiais para estações de trabalho em uma oficina 
de montagem aeroespacial desliza ao longo do piso buscando seu destino
• Também existem na natureza
 O pâncreas, que regula nosso nível de açúcar do sangue
 Adrenalina aumenta junto com a frequência cardíaca, fazendo com que mais 
oxigênio seja levado às nossas células
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• Definição: consiste em subsistemas e processos (ou plantas) construídos com 
o objetivo de obter uma saída desejada com um desempenho desejado, dada 
uma entrada especificada.
• Exemplo: Elevador
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• Vantagens
• 1. Amplificação de potência. Ex.: posicionar 
uma antena 
• 2. Controle remoto. Ex.: braços robóticos para 
manusear materiais perigosos
• 3. Conveniência da forma da entrada. Ex.: 
controle de temperatura
• 4. Compensação de perturbações Ex.: detectar 
perturbações e realizar correção.
*Pesquisar Boston Dynamics
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• Histórico
• Controle de Nível de Líquido
• Por volta de 300 a.C. Um relógio de água, inventado 
por Ktesibios, funcionava através do gotejamento de 
água, a uma taxa constante, em um recipiente de 
medição.
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• Histórico
• Controles de Pressão do Vapor e de Temperatura
• A regulação da pressão do vapor começou por volta de 
1681, com a invenção da válvula de segurança por 
Denis Papin.
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• Histórico
• Controles de Pressão do Vapor e de Temperatura
• Século XVII, Cornelis Drebbel, na Holanda, inventou um sistema de controle 
de temperatura puramente mecânico para a incubação de ovos. O dispositivo 
utilizava um frasco com álcool e mercúrio com uma boia em seu interior. A 
boia estava conectada a um registro que controlava uma chama. Uma parte 
do frasco era inserida na incubadora, para medir o calor gerado pela chama. 
À medida que o calor aumentava, o álcool e o mercúrio se expandiam, 
elevando a boia, fechando o registro e reduzindo a chama. Temperaturas 
mais baixas faziam com que a boia descesse, abrindo o registro e 
aumentando a chama.
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• Histórico
• Controle de Velocidade
• Século XVIII, James Watt inventou o regulador de velocidade de esferas 
para controlar a velocidade de motores a vapor.
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• Histórico
• Estabilidade, Estabilização e Direção
• A teoria de sistemas de controle, como conhecida atualmente, começou a se 
sedimentar na segunda metade do século XIX
• Em 1868, James Clerk Maxwell publicou o critério de estabilidade para um 
sistema de terceira ordem baseado nos coeficientes da equação diferencial
• Em 1874, Edward John Routh, foi capaz de estender o critério de 
estabilidade para os sistemas de quinta ordem.
• Em 1877, Routh submeteu um trabalho intitulado Um Tratado sobre a 
Estabilidade de um Determinado Estado de Movimento. Critério de 
estabilidade de Routh-Hurwitz.
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• Histórico
• Estabilidade, Estabilização e Direção
• Em 1892, Alexandr Michailovich Lyapunov, estendeu o trabalho de Routh
para sistemas não lineares
• Durante a segunda metade do século XIX, o desenvolvimento de sistemas de 
controle se concentrou na direção e na estabilização de navios.
• Desenvolvimentos do Século XX
• O desenvolvimento teórico dos sistemas de controle automático, aplicado à 
condução automática de navios que levou ao que hoje chamamos de 
controladores proporcional, integral e derivado (PID).
• Na década de 1920 e início da década de 1930, H. W. Bode e H. Nyquist, 
desenvolveram a análise de amplificadores com realimentação.
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• Histórico
• Desenvolvimentos do Século XX
• Essas contribuições evoluíram para as técnicas de análise e projeto em 
frequência.
• Em 1948, Walter R. Evans, trabalhando na indústria aeronáutica, 
desenvolveu uma técnica gráfica para representar as raízes de uma equação 
característica de um sistema com realimentação cujos parâmetros variavam 
sobre uma faixa específica de valores.
• Essa técnica, atualmente conhecida como lugar geométrico das raízes, junto 
com o trabalho de Bode e Nyquist forma a base da teoria da análise e de 
projeto de sistemas de controle lineares.
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Configurações de Sistemas
• Sistemas em Malha Aberta
• Não pode realizar compensações para quaisquer perturbações que sejam 
adicionadas ao sinal de acionamento do controlador
• Não efetuam correções por causa das perturbações e são comandados 
simplesmente pela entrada.
• Ex.: Torradeira (variável controlada = Cor da torrada, Perturbações = tipo de 
pão, espessura do pão) 
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• Sistemas em Malha Fechada (Controle com Realimentação)
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Configurações de Sistemas
• Sistemas em Malha Fechada (Controle com Realimentação)
• Vantagem óbvia de apresentar uma exatidão maior que os sistemas em 
malha aberta
• São menos sensíveis a ruídos, perturbações e alterações do ambiente
• A resposta transitória e os erros em regime permanente podem ser 
controlados de modo mais conveniente e com maior flexibilidade
• Por outro lado, os sistemas em malha fechada são mais complexos e mais 
caros que sistemas em malha aberta
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• Sistemas em Malha Fechada (Controle com Realimentação)
• Exemplos:
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Análise e Projeto
• Análise é o processo através do qual o desempenho de um sistema é 
determinado.
• Projeto é o processo pelo qual o desempenho de um sistema é criado ou 
alterado.
• Resposta Transitória
• Caso do elevador, muito lento deixa os passageiros impacientes, enquanto 
uma resposta excessivamente rápida os deixa desconfortáveis.
• Resposta em Regime Permanente
• Esta resposta pode ser um elevador parado próximo ao quarto andar
• Estabilidade
• Terceiro objetivo na análise de projeto
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Análise e Projeto
• Resposta total de um sistema
• A respostanatural descreve o modo como o sistema dissipa ou obtém 
energia. Dependente apenas do sistema, e não da entrada.
• Por outro lado, a forma ou a natureza da resposta forçada é dependente da 
entrada
• Para um sistema de controle ser útil, a resposta natural deve eventualmente 
tender a zero, deixando, assim, apenas a resposta forçada oscilar
• Em alguns sistemas, a resposta natural aumenta sem limites, ao invés de 
diminuir até chegar a zero ou oscilar. Assim, a resposta natural é tão maior 
que a resposta forçada, que o sistema não é mais controlado. Esta condição, 
chamada de instabilidade F
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Análise e Projeto
• Os sistemas de controle devem ser projetados para ser estáveis
• Suas respostas naturais devem decair para zero à medida que o tempo tende 
a infinito, ou oscilar
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O processo do projeto
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O processo do projeto
• Problemas
• Um sistema de controle de temperatura opera sentindo a diferença entre o 
ajuste do termostato e a temperatura real, e então abrindo uma válvula de 
combustível por uma quantidade proporcional a essa diferença. Desenhe um 
diagrama de blocos funcional em malha fechada identificando os 
transdutores de entrada e de saída, o controlador e a planta. Além disso, 
identifique os sinais de entrada e de saída de todos os subsistemas descritos 
anteriormente.
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O processo do projeto
• Durante uma operação médica, um anestesista controla o nível de 
inconsciência de um paciente controlando a concentração de isoflurano em 
uma mistura vaporizada com oxigênio e óxido nitroso. O nível de anestesia é 
medido pela pressão sanguínea do paciente. O anestesista também regula a 
ventilação, o equilíbrio dos fluidos e a administração de outros 
medicamentos. Com o intuito de liberar o anestesista para dedicar mais 
tempo às últimas tarefas, e no interesse da segurança do paciente, 
desejamos automatizar o nível de anestesia, automatizando o controle da 
concentração de isoflurano. Desenhe um diagrama de blocos funcional do 
sistema mostrando os sinais e os subsistemas pertinentes
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