Aula 01 - Introdução aos Sistemas de Controle

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SISTEMAS DE CONTROLE I
INTRODUÇÃO AOS SISTEMAS DE CONTROLE
PROF. ELBER ARAÚJO HIPOLITO
SUMÁRIO
• Introdução:
➢ Definição de Sistema de Controle;
➢ Vantagens de Sistemas de Controle.
• História dos Sistemas de Controle;
• Definições;
• Configurações de Sistemas:
➢ Sistemas de Malha Aberta;
➢ Sistemas de Malha Fechada.
• Objetivos de Análise e de Projeto;
• Processo de Projeto.
INTRODUÇÃO
O controle automático é essencial em qualquer campo da engenharia e
da ciência. O controle automático é um componente 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. É desejável que a maioria dos engenheiros e
cientistas esteja familiarizada com a teoria e a prática do controle
automático.
DEFINIÇÃO DE SISTEMA DE CONTROLE
“Um sistema que estabeleça uma relação de comparação entre uma saída e uma
entrada de referência, utilizando a diferença como meio de controle, é denominado
Sistema de Controle...”
K. Ogata – Engenharia de Controle Moderno
“Um Sistema de Controle consiste em subsistemas e processos construídos com o
objetivo de se obter uma saída desejada, com desempenho desejado para uma
entrada específica fornecida.”
N. S. Nise – Engenharia de Sistemas de Controle
“Um Sistema de Controle é uma interconexão de componentes formando uma
configuração de sistema que produzirá uma resposta desejada do sistema.”
R. C. Dorf e R. H. Bishop – Sistemas de Controle Moderno
VANTAGENS DO SISTEMA DE CONTROLE
Construímos sistemas de controle por quatro razões principais:
• Amplificação de potência;
• Controle remoto;
• Conveniência da forma da entrada;
• Compensação de perturbações.
HISTÓRIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE
• Primeiras aplicações de sistema de controle pode ser
verificadas no desenvolvimento do mecanismo regulador de
boia na Grécia no período de 300 a 1 A.C;
• O relógio de água de Ktsebios usava um regulador de boia;
HISTÓRIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE
• Um lampião a óleo inventado por Philon aproximadamente
em 250 A. C. usava um regulador de boia para manter o nível
do combustível;
• Heron de Alexandria, que viveu no primeiro século D. C.
publicou um livro intitulado Pneumática que ressaltava
algumas formas de mecanismo de nível que utilizavam
reguladores de boia;
• Cornelis Drebbel (1572-1655) propôs o primeiro regulador de
temperatura;
• Dennis Papin (1647-1712) inventou a primeiro controlador de
pressão para caldeiras a vapor em 1681 (similar ao método
adotado na panela de pressão).
HISTÓRIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE
• O primeiro controlador automático usado em um processo
industrial geralmente aceito é o regulador de esferas de James
Watt para controlar velocidade de máquinas a vapor.
HISTÓRIA DOS SISTEMAS DE CONTROLE
• J. C. Maxwell formulou a teoria matemática relativa à teoria de controle
usando um modelo de um regulador sobre forma de uma equação diferencial;
• No final da década de 1920 e início da década de 1930, H. W. Bode e H.
Nyquist, da Bell Telephone Laboratories, desenvolveram a análise de
amplificadores com realimentação;
• Durante os anos de 1940, métodos matemáticos e analíticos aumentaram em
número e utilidade e a engenharia de controle se constituiu por si só em uma
área específica da engenharia;
• Após 1950 aumentam estudos de controle abordando o plano s e surge o
método do lugar das raízes;
• Na década de 80 iniciou-se a utilização de computadores digitais na
implementação de sistemas de controle;
• Atualmente, as teorias em sistema de controle só avançam, e pode-se utilizar
sistemas de controle analógicos ou digitais em processos industriais.
DEFINIÇÕES
• Variável Controlada ou de Processo (PV): é a grandeza ou a condição
que é medida e controlada. Normalmente, a variável controlada é a saída
do sistema. (Ex: temperatura, pressão, vazão, nível, etc.);
• Sinal de Controle ou Variável Manipulada (MV): é a grandeza ou a
condição modificada pelo controlador, de modo que afete o valor da
variável controlada. (Ex: Ex: vazão de vapor para controle da
temperatura, vazão de líquido para controle de nível, vazão de gás para
controle de pressão);
• Planta: pode ser uma parte de equipamento ou apenas um conjunto de
componentes de um equipamento que funcione de maneira integrada,
com o objetivo de realizar determinada operação. Nesta disciplina,
denominaremos planta qualquer objeto físico a ser controlado (como um
componente mecânico, um forno, um reator químico ou uma
espaçonave).
DEFINIÇÕES
• Processo: é 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. Nesta
disciplina, designaremos processo toda operação a ser controlada
(processos químicos, econômicos e biológicos).
• Sistemas: é a combinação de componentes que agem em conjunto
para atingir determinado objetivo. A ideia de sistema não fica restrita
apenas a algo físico. O conceito de sistema pode ser aplicado a
fenômenos abstratos dinâmicos, como aqueles encontrados na
economia. Dessa maneira, a palavra ‘sistema’ pode ser empregada
para se referir a sistemas físicos, biológicos, econômicos e outros.
DEFINIÇÕES
• Distúrbios: é um sinal que tende a afetar de maneira adversa o
valor da variável de saída de um sistema. Se um distúrbio for gerado
dentro de um sistema, ele será chamado distúrbio interno, enquanto
um distúrbio externo é aquele gerado fora do sistema e que se
comporta como um sinal de entrada no sistema.
• 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. Aqui, serão considerados apenas distúrbios não
previsíveis, uma vez que distúrbios previsíveis sempre podem ser
compensados no sistema.
SISTEMAS DE MALHA ABERTA
Sistema em Malha Aberta é aquele em que a informação sobre a
variável controlada não é utilizada para ajustar quaisquer das
variáveis de entrada, visando compensar as variações que ocorrem
nas variáveis do processo e que influenciam na variável controlada.
Fig. 1.2.: Processo típico de 
troca de calor em malha aberta
SISTEMAS DE MALHA FECHADA (CONTROLE 
COM REALIMENTAÇÃO)
O sistema de controle em malha fechada, ou sistema de controle com
realimentação, é manipular a relação entrada/saída (função de
transferência), de maneira que a variável controlada do processo seja
mantida dentro dos limites estabelecidos, ou seja, o sistema de controle em
malha fechada regula a variável controlada, fazendo correções em outra
variável do processo, que é chamada de variável manipulada.
O controle em malha fechada pode ser realizado por um operador humano
(controle manual) ou mediante a utilização de instrumentação (controle
automático).
SISTEMAS DE MALHA FECHADA (CONTROLE 
COM REALIMENTAÇÃO)
As ações executadas tanto pelo operador, como pelo processo
automático são:
Medir, comparar; computar, corrigir.
Fig. 1.3.: Processo típico de troca de 
calor utilizando controle manual
Fig. 1.4.: Processo típico de troca de 
calor utilizando controle automático
SISTEMAS DE MALHA FECHADA 
(CONTROLE COM REALIMENTAÇÃO)
A forma de execução e o tempo gasto para efetivação das ações de controle
dependem, basicamente, do sistema de controle utilizado e das características
do processo controlado.
Como as características do processo controlado (indutâncias, resistências,
massa, etc.) não podem ser alteradas, o que se faz é especificar o sistema de
controle [transmissor, controlador, válvula, etc.] mais adequado às
características do processo controlado, como forma de se otimizar o
rendimento e facilitar a operação adequada do equipamento.
Fig. 1.5.: Diagrama de 
blocos de um sistema
VANTAGENS X DESVANTAGENSMALHA ABERTA MALHA FECHADA
VANTAGENS
SÃO RELATIVAMENTE 
SIMPLES MAIOR PRECISÃO 
NO PROCESSO
BAIXO CUSTO
DESVANTAGENS MAIS IMPRECISOS
COMPLEXOS
MAIOR CUSTO
OBJETIVOS DE ANÁLISE E DE PROJETO
Os três objetivos principais da análise e do projeto de sistemas:
• Produzir a resposta transitória desejada;
• Reduzir os erros em regime permanente;
• Alcançar estabilidade.
Abordamos também outros aspectos do projeto, como o custo e a
sensibilidade do desempenho do sistema a variações nos parâmetros.
PROCESSO DE PROJETO
Passo 1. Determinar um sistema físico e especificações a partir de requisitos.
Passo 2. Desenhar um diagrama de blocos funcional.
Passo 3. Representar o sistema físico como um esquema.
Passo 4. Utilizar o esquema para obter um modelo matemático, como um
diagrama de blocos.
Passo 5. Reduzir o diagrama de blocos.
Passo 6. Analisar e projetar o sistema para atender os requisitos e as
especificações, que incluem estabilidade, resposta transitória e desempenho
em regime permanente
PRÓXIMA AULA
Conceitos básicos de Vetores e Álgebra Linear. 
BONS ESTUDOS!
“É dever do aprendiz correr atrás do conhecimento.
É dever do mestre despertar o interesse do aprendiz
e lhe mostrar o caminho.”