RESUMO CAPITULO-1

Prévia do material em texto

ENGENARIA DE CONTROLE MODERNO 
 
 
INTRODUÇÃO: As teorias de controle comumente usadas hoje são a teoria de 
controle clássico (também chamada teoria de controle convencional), a teoria 
de controle moderno e a teoria de controle robusto. 
O controle automático é essencial em qualquer campo da engenharia e da 
ciência, sendo componentes importante e intrínseco em sistemas de veículos 
espaciais, sistemas robóticos, modernos sistemas de manufatura e quaisquer 
operações industriais que envolvam o 
Controle de temperatura, pressão, umidade, viscosidade, vazão etc. 
Dentre as teorias de desenvolvimento de controle, temos alguns casos que 
foram importantes para chegar onde estamos hoje, como exemplo, temos o 
controle automático de um regulador centrífugo construído por James, Watt 
para controlar a velocidade de uma máquina a vapor, no século XVIII, podemos 
citar ainda outros importantes nos primeiros estágios do desenvolvimento da 
teoria de controle se devem a Minorsky, Hazen e Nyquist, entre outros. 
Um trabalho realizado em 1922, por Minorsky, demonstrou como a 
estabilidade poderia ser determinada a partir de equações diferenciais que 
descrevem o sistema. 
Outros trabalhos realizados por Nyquist em 1932(estabilidade de sistemas de 
malha fechada com base na resposta de malha aberta a excitações senoidais 
estacionárias), Hazen -1934 (servomecanismos para sistemas de controle de 
posição), discutiu o projeto de 
servomecanismos a relé, capazes de acompanhar uma variação de entrada 
com acurácia. 
 Durante a década de 1940, métodos de resposta em frequência tornou-
se possível projetar sistemas de controle linear de malha fechada que 
satisfizessem o desempenho requerido. 
Nas décadas de 1940 e 1950 foram usados muitos controladores PID no 
controle de pressão, temperatura etc. 
 Ziegler e Nichols criaram regras para o ajuste de controladores PID, no 
chamado método de Ziegler-Nichols. Do final da década de 1940 ao início da 
de 1950, o método de lugar das raízes, graças a Evans, foi plenamente 
desenvolvido. 
 
Definição de Terminologia Básica: 
 
Variável controlada e sinal de controle ou variável manipulada 
A variável controlada éa grandeza ou a condição que é medida e controlada. O 
sinal de controle ou variável manipuladaé a grandeza ou a condição modificada 
pelo controlador, de modo que afete o valor da variável controlada. 
Normalmente, a variável controlada é a saída do sistema. Controlar significa 
medir o valor da variável controlada do sistema e aplicar o sinal de controle ao 
sistema para corrigir ou limitar os desvios do valor medido a partir de um valor 
desejado. 
Plantas - Uma planta pode ser uma parte de equipamento ou apenas um 
conjunto de componentes de um equipamento que funcione de maneira 
integrada. 
Processos - O dicionário Merriam-Webster define um processo como uma 
operação natural de progresso contínuo ou um desenvolvimento caracterizado 
por uma série de modificações graduais que se sucedem umas às outras de 
modo relativamente estável, avançando em direção a dado resultado ou 
objetivo, ou uma operação contínua progressiva, artificial ou voluntária, que 
consiste em uma série de ações ou movimentos controlados, sistematicamente 
destinados a atingir determinados fins ou resultados. 
Sistemas - Um sistema é a combinação de componentes que agem em 
conjunto para atingir determinado objetivo. 
Distúrbios. Um distúrbio é um sinal que tende a afetar de maneira adversa o 
valor da variável de saída de um sistema. 
Controle com realimentação. Controle com realimentação refere-se a uma 
operação que, na presença de distúrbios, tende a diminuir a diferença entre a 
saída de um sistema e alguma entrada de referência e atua com base nessa 
diferença. 
 
Exemplos de sistemas de controle 
Sistema de controle de velocidade - O princípio básico de um regulador Watt 
de velocidade para um motor é definida pela quantidade de combustível 
fornecida ao motor que é ajustada de acordo com a diferença entre a 
velocidade esperada e a velocidade efetiva do motor. 
Sistema de controle de temperatura - Controle de temperatura de um forno 
elétrico, a temperatura do forno elétrico é medida por um termômetro, que é um 
dispositivo analógico. O sinal analógico de temperatura é convertido em um 
sinal digital por um conversor A/D (analógico-digital). O sinal digital obtido é 
fornecido ao controlador por meio de uma interface. Esse sinal digital é 
comparado com a temperatura programada de referência e, se houver alguma 
divergência (erro), o controlador envia um sinal ao aquecedor, por meio de uma 
interface, um amplificador e um relé, fazendo que a temperatura do forno atinja 
o valor desejado. 
Sistemas empresariais - Um sistema empresarial pode consistir em vários 
grupos. Gerenciamento, pesquisa e desenvolvimento, projeto preliminar, 
experimentos, projeto e desenho de produtos, fabricação e montagem e testes. 
Esses grupos são interligados para que a operação de produção se processe 
satisfatoriamente, onde o sistema pode ser analisado reduzindo-o a um 
conjunto de componentes necessários tão elementares quanto possível, 
possibilitando o detalhamento analítico exigido, e pela representação das 
características dinâmicas de cada componente, por meio de um conjunto de 
equações simples. 
(O desempenho dinâmico desse sistema pode ser determinado por uma 
relação estabelecida entre a realização progressiva e o tempo.) 
Sistema de controle robusto - A teoria do controle robusto parte do pressuposto 
de que os modelos que usamos para projetar sistemas de controle contêm 
erros de modelagem, a teoria presume ainda que existe incerteza ou erro entre 
a planta real e seu modelo matemático e inclui essa incerteza ou erro no 
processo de projeto do sistema de controle. 
Sistemas projetados com base na teoria do controle robusto têm as seguintes 
propriedades: 
(1) Estabilidade robusta. O sistema de controle projetável é estável na 
presença de distúrbios. 
(2) Desempenho robusto. O sistema de controle manifesta características de 
reposta predeterminadas na presença de distúrbios. 
Essa teoria requer considerações baseadas na análise de resposta em 
frequência e na análise de domínio do tempo. Em virtude da complexidade 
matemática associada à teoria do controle robusto, a discussão detalhada 
dessa teoria está além do escopo do estudante dos últimos anos de 
engenharia. 
 
Controle de malha fechada X controle de malha aberta 
Sistemas de controle com realimentação - Um sistema que estabeleça uma 
relação de comparação entre a saída e a entrada de referência, utilizando a 
diferença como meio de controle, é denominado sistema de controle com 
realimentação. Um exemplo poderia ser o sistema de controle de temperatura 
de um ambiente. Medindo-se a temperatura ambiente real e comparando-a 
com a temperatura de referência (temperatura desejada), o termostato ativa ou 
desativa o equipamento de aquecimento ou resfriamento, de modo que 
assegure que a temperatura ambiente permaneça em um nível confortável, 
independentemente das condições exteriores. 
Os sistemas de controle com realimentação não estão limitados à engenharia, 
podendo ser encontrados em várias outras áreas. 
Sistemas de controle de malha fechada. Os sistemas de controle com 
realimentação são, com frequência, denominados também sistemas de 
controle de malha fechada. Na prática, os termos controle com realimentação e 
controle de malha fechada são usados indistintamente. 
Em um sistema de controle de malha fechada, o sinal de erro atuante, que é a 
diferença entre o sinal de entrada e o sinal de realimentação (que pode ser o 
próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída e suas derivadas e/ou 
integrais), realimenta o controlador, de modo a minimizar o erro e acertar a 
saída do sistema ao valor desejado. O termo ‘controle de malha fechada’ 
sempre implica a utilização do controlecom realimentação para reduzir o erro 
do sistema. 
Sistemas de controle de malha aberta. Os chamados sistemas de controle de 
malha aberta são aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma ação 
de controle no sistema. Isso quer dizer que, em um sistema de controle de 
malha aberta, o sinal de saída não é medido nem realimentado para 
comparação com a entrada. Um exemplo prático é o da máquina de lavar 
roupas. 
As operações de colocar de molho, lavar e enxaguar em uma lavadora são 
executadas em uma sequência baseada em tempo. A lavadora não mede o 
sinal de saída, isto é, não verifica se as roupas estão bem lavadas. 
 
Sistemas de controle de malha fechada. 
Vantagem: 
Realimentação faz que a resposta do sistema seja relativamente insensível a 
distúrbios externos e a variações internas nos parâmetros do sistema. Dessa 
forma, é possível a utilização de componentes relativamente imprecisos e 
baratos para obter o controle preciso de determinado sistema. 
Desvantagem: 
A estabilidade constitui um problema importante nos sistemas de controle de 
malha fechada, que podem apresentar uma tendência de correção de erros 
além do necessário, causando oscilações de amplitude constante ou variável. 
 
 
Controle de Malha Aberta. 
Vantagem: 
1. São simples de ser construídos e têm fácil manutenção. 
2. São menos dispendiosos que um sistema correspondente de malha fechada. 
3. Não apresentam problemas de estabilidade. 
4. São adequados quando existem dificuldades de medição da saída ou 
quando a medição precisa da saída não é economicamente possível. (Por 
exemplo, no caso da máquina de lavar roupas, seria bastante dispendiosa a 
instalação de um dispositivo para avaliar se as roupas foram bem lavadas.) 
Desvantagem: 
1. Distúrbios e mudanças na calibração causam erros, e a saída pode 
apresentar diferenças em relação ao padrão desejado. 
2. Para que a saída mantenha a qualidade requerida, é necessária uma 
regulagem periódica. 
 
Projeto e compensação de sistemas de controle 
 
Compensação do sistema. Ajustar o ganho é o primeiro passo no ajuste do 
sistema para um desempenho satisfatório. No entanto, em muitos casos 
práticos, o ajuste do ganho, por si só, pode não proporcionar uma alteração no 
comportamento do sistema que atenda às especificações desejadas. Como 
ocorre frequentemente, o aumento no valor do ganho melhora o 
comportamento em regime estacionário, mas resulta em estabilidade deficiente 
e até em instabilidade. 
Torna-se necessário, então, reprojetar o sistema (modificando a estrutura ou 
incorporando dispositivos ou componentes adicionais), para alterar seu 
comportamento geral de modo que ele se comporte como desejado. Tal 
reprojeto ou acréscimo de um dispositivo adequado chama-se compensação. 
Um dispositivo inserido no sistema com o propósito de satisfazer às 
especificações é denominado compensador. Este compensa pelo desempenho 
deficiente do sistema original. 
Procedimentos de projeto. No processo de projetar um sistema de controle, 
montamos um modelo matemático do sistema de controle e ajustamos os 
parâmetros de um compensador. A parte do processo que mais consome 
tempo é a verificação do desempenho do sistema, por meio da análise de cada 
ajuste dos parâmetros. O projetista deve usar o Matlab ou outro software 
disponível para evitar boa parte do trabalho matemático enfadonho, necessário 
a essa verificação. 
Uma vez que um modelo matemático satisfatório tenha sido obtido, o projetista 
deve construir um protótipo e testar o sistema de malha aberta. Se houver 
garantia de estabilidade absoluta da malha fechada, o projetista fecha a malha 
e testa o desempenho do sistema de malha fechada resultante. Devido aos 
efeitos negligenciados da carga entre os componentes, das não linearidades, 
dos parâmetros distribuídos e assim por diante, que não foram levados em 
consideração no projeto original, o desempenho real do protótipo do sistema 
provavelmente será diferente das previsões teóricas. Portanto, o primeiro 
projeto pode não satisfazer todos os requisitos de desempenho. 
O projetista deve ajustar os parâmetros do sistema e modificar o protótipo até 
que o sistema atenda às especificações. Ao fazer isso, ele deve analisar cada 
teste e os resultados da análise devem ser incorporados ao teste seguinte. O 
projetista deve garantir que o sistema final atenda às especificações de 
desempenho e seja, ao mesmo tempo, confiável e econômico.