Aula 1 - INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE SISTEMAS MULTIVARIÁVEIS

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Aula 1 - INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE 
SISTEMAS MULTIVARIÁVEIS
O que é um sistema?
• Vem da palavra grega Synistanal ( significa funcionando junto);
• Combinação de componentes para um resultado;
• Parte do universo que deseja-se analisar;
• Ex : foguetes, antenas, braço robótico, automóvel, satélite,
máquina de lavar, sistema respiratório, etc.
Relação entrada/saída
• Direta
• Oposta
Controle
• Controlar significa medir o valor da variável controlada do sistema e 
aplicar o sinal de controle ao sistema para corrigir ou limitar desvios 
do valor medido a partir de um valor desejado;
Controle de um sistema
• Primeiros relatos de um sistema controlado é do físico e matemático 
Ktesibius
• Controle automático do nível de água
Histórico de Sistemas Controlados
• Século XVII  James Watt – controle de velocidade de máquinas a 
vapor;
• 1922 Minorsky – controladores automáticos em pilotagem de 
embarcações;
• 1932  Nyquist – estabilidade em sistemas de malha fechada;
• 1932  Hazen – sistemas servomecânicos para controle de posição;
• 1940 métodos com resposta em frequência – controle linear de 
malha fechada, permitindo maior desempenho – PID 
das raízes;
• 1950  Lugar das raízes
• 1960 – 1980  controle ótimo, com estudos em sistemas 
determinísticos e estocásticos;
• 1980 – 1990  controle robusto e relacionados.
Linha do tempo
Exemplos de Sistema
• Sistema de controle de velocidade:
A quantidade de combustível
fornecida ao motor é ajustada
de acordo com a diferença
entre a velocidade esperada e
a velocidade do motor
Sistema de controle de temperatura
• No controle de um forno elétrico, a temperatura é medida através de um termômetro
(analógico). O sinal analógico da temperatura passar por um conversor A/D. O sinal digital é
fornecido ao controlador, por meio de uma interface, que faz a comparação com a temperatura
referência. Havendo divergência, o controlador envia um sinal ao aquecedor, que por meio de um
amplificador e um relé, controlam o a temperatura para o nível desejado;
Sistema empresarial
• Um sistema empresarial pode ter vários grupos. Assim, cada tarefa de 
um grupo representa um elemento do sistema.
Veículos automatizados
Robôs humanoides
• O uso de computadores integrados com 
máquinas que desempenham tarefas 
como um trabalhador humano 
• Um robô é uma máquina controlada por 
computador e envolve tecnologia 
intimamente associada à automação. A 
robótica industrial pode ser definida como 
uma área particular da automação na qual 
a máquina automática (isto é, o robô) é 
projetada para substituir a mão de obra 
humana. Desse modo, os robôs possuem 
certas características humanas. Hoje a 
característica humana mais comum é um 
manipulador mecânico que é construído 
semelhante ao braço e punho humanos. 
Sistemas de controle industriais
• Na indústria, existem vários exemplos, incluindo controladores de 
velocidade; controladores de temperatura e pressão de processos; 
e controladores de posição, espessura, composição e qualidade.
• Sistemas de controle com realimentação são usados extensivamente 
em aplicações industriais. Milhares de robôs industriais e 
laboratoriais estão atualmente em uso. Manipuladores robóticos 
podem pegar objetos pesando centenas de quilos e posicioná-los 
com precisão de poucos milímetros. Equipamentos de manipulação 
automáticos para o lar, escolas e indústria são particularmente úteis 
para tarefas perigosas, repetitivas, enfadonhas ou simples. Máquinas 
que automaticamente carregam e descarregam, cortam, soldam ou 
montam são usadas pela indústria para obter exatidão, segurança, 
economia e produtividade.
• Tem havido um considerável interesse recente na aplicação de 
conceitos de controle com realimentação em armazenamento e 
controle de inventário. Além disso, o controle automático de 
sistemas de agricultura (fazendas) está recebendo um interesse 
crescente. Silos e tratores controlados automaticamente têm sido 
desenvolvidos e testados. Controle automático de geradores eólicos, 
aquecedores solares e trocadores de calor e desempenho de 
motores de automóveis são exemplos modernos importantes
Termos relevantes
• Variável Controlada grandeza ou condição medida e controlada;
• Sinal de controle ou variável manipulada  grandeza ou condição
modificada pelo controlador, a fim de ajustar o valor da
variável controlada
• Planta  equipamento, sistema que funciona de forma integrada.
É o objeto a ser controlado;
• Processo toda operação a ser controlada;
• Distúrbios  sinal que afeta os valores/níveis da variável de
saída(controlada) de um sistema;
• Interno
• Externo
• Controle com realimentação  na presença de distúrbios,
mede a diferença entre a saída de um valor de referência e
faz o ajuste;  (Malha Fechada)
Malha Fechada X Malha Aberta
• Reduz o erro do
sistema;
• Uso de sensores;
• Reposta é insensível a
distúrbios externos e
variações internas;
• Mais vantajoso em
sistemas onde há
presença de distúrbios
ou alterações não
previsíveis;
• Sinal de saída não
exerce ação de
controle;
• Sinal de saída não é
medido ou
realimentado para
comparação;
• Precisão depende de
calibração;
• Relação entrada/saída
deve ser conhecida;
• Implementação mais
simples
Análise e Projeto
• Análise  Verificar se o sistema atende aos requisitos, possibilitando 
descrever a forma de controle
• Projeto  controle – definir como o sinal de entrada será gerado a 
partir da referência ou erro (desempenho , compensação,
procedimentos)
PROJETO DE ENGENHARIA
• O projeto de engenharia é a principal tarefa de um engenheiro. É um processo complexo 
no qual tanto a criatividade quanto a capacidade analítica desempenham papéis 
fundamentais.
• “Projeto é o processo de concepção ou invenção de formas, partes e detalhes de um 
sistema para atingir um propósito específico.”
• A atividade de projeto pode ser considerada como planejamento para o surgimento de 
um produto ou sistema particular.. As etapas do projeto são 
• (1) determinar uma necessidade originada dos valores de vários grupos, cobrindo o espectro que 
vai dos responsáveis pelas políticas públicas até o consumidor; 
• (2) especificar em detalhes o que a solução para essa necessidade deve ser e incorporar esses 
valores; 
• (3) desenvolver e avaliar várias soluções alternativas para atender essas especificações; e 
• (4) decidir qual delas deve ser projetada em detalhes e fabricada.
• Um dos principais desafios para o projetista é escrever as especificações para o produto
técnico. Especificações são declarações que explicitamente expressam o que o
dispositivo ou produto deve ser e fazer. O projeto de sistemas técnicos objetiva fornecer
especificações de projeto apropriadas e se baseia em quatro características:
complexidade, soluções de compromisso, desvios de projeto e risco.
PROJETO DE SISTEMAS DE CONTROLE
• O projeto de sistemas de controle é um exemplo específico de projeto de 
engenharia. O objetivo do projeto de engenharia de controle é obter a 
configuração, especificações e identificação dos parâmetros-chave de um 
sistema proposto a atender uma necessidade real.
• O processo de projeto consiste em sete blocos principais, que são 
organizados em três grupos:
• 1.Estabelecimento dos objetivos e variáveis a serem controladas e 
definição das especificações (métricas) que serão usadas para medir o 
desempenho.
• 2.Definição do sistema e modelagem.
• 3.Projeto do sistema de controle e simulação e análise do sistema 
integrado.
A EVOLUÇÃO FUTURA DOS SISTEMAS DE CONTROLE
• O objetivo permanente dos sistemas de controle é propiciar uma ampla flexibilidade e
um alto nível de autonomia. Dois conceitos de sistemas abordam esse objetivo pormeio de diferentes caminhos evolucionários. Os robôs industriais atuais são
reconhecidos como bastante autônomos – uma vez programados, normalmente não é
necessária intervenção posterior. Por causa de limitações sensoriais, esses sistemas
robóticos têm flexibilidade limitada para adaptarem-se a mudanças no ambiente de
trabalho; aprimorar essa percepção do ambiente é uma motivação para as pesquisas em
visão computacional. O sistema de controle é muito adaptável, mas depende de
supervisão humana.
• Os sistemas de controle estão se movendo em direção à operação autônoma como um
aperfeiçoamento do controle humano. Pesquisas em controle supervisionado, métodos
de interface homem-máquina e gerenciamento de bases de dados computacionais estão
direcionados a reduzir a carga de operadores humanos e melhorar a eficiência desses
operadores. Muitas atividades de pesquisa são comuns à robótica e aos sistemas de
controle e são direcionadas a reduzir o custo de implementação e expandir as áreas de
aplicação. Elas incluem métodos aperfeiçoados de comunicação e linguagens de
programação avançadas.
• A revolução atual na tecnologia computacional está causando uma mudança social
igualmente importante, a expansão da coleta de informação e do processamento da
informação à medida que os computadores estendem o alcance do cérebro humano.
EXEMPLO DE PROJETO
• Sistemas de controle de redes elétricas inteligentes
• Uma rede elétrica inteligente é tanto um conceito quanto um sistema físico. Em
essência, o conceito é fornecer energia de maneira mais confiável e eficiente
mantendo-se as características de ecologia, economia e segurança. Uma rede
elétrica inteligente pode ser vista como um sistema composto de hardware e
software que direciona energia de maneira mais confiável e eficiente para
residências, empresas, escolas e outros usuários de energia.. As redes elétricas
inteligentes podem ter abrangência nacional ou local. Até mesmo redes elétricas
inteligentes domésticas (ou micro redes) podem ser levadas em consideração. De
fato, as redes elétricas inteligentes englobam uma área de investigação muito
vasta e rica. Os sistemas de controle desempenham um papel fundamental nas
redes elétricas inteligentes em todos os níveis.
• Estima-se que a implantação de redes elétricas inteligentes poderá reduzir as
emissões globais de CO2 devido aos sistemas de energia em 14% até 2020
Exercícios
1. Cite 3 exemplos de sistemas no dia-dia, relacionando entrada e 
saída.
2. Cite 3 exemplos de sistemas em malha aberta;
3. Cite 3 exemplos de sistemas em malha fechada;
4 -Descreva sensores típicos que possam medir cada um dos seguintes: 
a. Posição linear 
b. Velocidade 
c. Aceleração não gravitacional 
d. Posição rotacional (ou ângulo) 
e. Velocidade rotacional 
f. Temperatura 
g. Pressão 
h. Fluxo de líquido (ou gás) 
i. Torque 
j. Força 
k. O campo magnético da Terra 
l. Frequência cardíaca
5 - Descreva atuadores típicos que 
possam fazer as seguintes conversões : 
a. Energia fluídica em energia mecânica 
b. Energia elétrica em energia mecânica 
c. Deformação mecânica em energia 
elétrica 
d. Energia química em energia cinética 
e. Calor em energia elétrica
5 - Um motorista de automóvel usa um sistema de controle para 
manter a velocidade do carro em um nível predeterminado. Esboce um 
diagrama de blocos para ilustrar esse sistema com realimentação.
6 - Descreva o diagrama de blocos do sistema de controle de 
velocidade de uma motocicleta com um piloto humano.