Introdução Sistemas de Controle

Controle I

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IFCE

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David Marques

04/05/2021

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Controle I

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Disciplina: Controle I
Professor: Dr. José Daniel de Alencar Santos
Curso: Engenharia de Controle e Automação
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Ceará - IFCE
Departamento de Indústria - Campus Maracanaú
2021.1
Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Sumário - Introdução aos Sistemas de Controle
1 Introdução
2 Breve Histórico
3 Conceitos Importantes
4 Projeto em Sistemas de Controle
5 Referências
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Sistemas de Controle
Definição de Sistema de Controle
Consiste em subsistemas e processos (ou plantas) constrúıdos com o
objetivo de obter uma sáıda desejada com um desempenho desejado, para
uma determinada entrada espećıfica.
Figure 1: Diagrama simplificado de um sistema de controle. (Fonte: autor)
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo - Resposta de Um Elevador
Figure 2: Resposta do controle de posição de um elevador. (Fonte: Nise, 2017)
Vantagens dos Sistemas de Controle:
• amplificação de potência;
• controle remoto;
• conveniência da forma do sinal de entrada;
• compensação de perturbações.
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Histórico dos Sistemas de Controle
A teoria de sistemas de controle começou a se estruturar a partir da
segunda metade do século XIX :
• 1868 - James Clerk Maxwell publica um critério de estabilidade para
sistemas de terceira ordem;
• 1874 - Edward John Routh estende esse critério para sistemas de
quinta ordem;
• 1877 - Routh ganha o prêmio Adams com o critério de estabilidade
de Routh-Hurwitz ;
• 1892: Lyapunov estende o trabalho de Routh para sistemas não
lineares.
Observação:
Nesse peŕıodo, o desenvolvimento dos sistemas de controle se concentrou
na direção e estabilização de navios.
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Histórico dos Sistemas de Controle
Desenvolvimento dos sistemas de controle no século XX :
• 1922 - Sperry Gyroscope Company instala um sistema automático de
direção de navios;
• Final dos anos 20 e ińıcio dos 30 - Bode e Nyquist desenvolvem a
análise de amplificadores com realimentação;
• 1948 - Walter R. Evans desenvolve uma técnica gráfica chamada de
lugar geométrico das ráızes.
Algumas Aplicações Contemporâneas:
Orientação, navegação e controle de ḿısseis, satélites, véıculos espaciais,
navios e aviões.
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Sistema em Malha Aberta (MA)
Figure 3: Diagrama de blocos de um sistema em MA. (Fonte: Nise, 2017)
Observações:
• transdutor de entrada - converte o sinal de entrada para a forma
utilizada pelo controlador;
• controlador - aciona um processo ou uma planta;
• as perturbações são inseridas através de pontos (ou junções) de soma;
• o sistema em MA NÃO pode realizar compensações para quaisquer
perturbações que sejam adicionadas ao sistema.
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Sistema em Malha Fechada (MF)
Figure 4: Diagrama de blocos de um sistema em MF. (Fonte: Nise, 2017)
Observações:
• transdutor de sáıda - mede a resposta da sáıda e a converte para a
forma utilizada pelo controlador;
• sinal de atuação - é o sinal de entrada do controlador;
• o sistema em MF compensa as perturbações medindo o valor da
sáıda, realimentando essa medida através da malha de realimentação
e comparando-a com a entrada no ponto de soma. 8 / 20
Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Malha Aberta × Malha Fechada
• Os sistemas em malha fechada apresentam maior exatidão que os
sistemas em malha aberta.
• Por outro lado, os sistemas em malha fechada são mais complexos e
mais caros.
Importante!!
Um engenheiro de controle e automação deve considerar a relação
custo-benef́ıcio entre a simplicidade e o baixo custo de um sistema em
MA, e a exatidão e custo mais elevado de um sistema em MF.
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Objetivos de Análise e de Projeto
• Projeto: processo pelo qual o desempenho de um sistema é criado ou
alterado.
• Análise: processo através do qual o desempenho de um sistema é
determinado.
• É importante ter em mente que um sistema de controle é dinâmico.
• Objetivos principais na análise e no projeto de sistemas de controle:
1 produzir a resposta transitória desejada;
2 reduzir ou eliminar o erro em regime permanente;
3 alcançar a estabilidade.
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Etapas de Projeto
Figure 5: Etapas de um projeto de sistemas de controle. (Fonte: Nise, 2017)
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 1
Estabelecer o desejo de posicionar a antena a partir de um local remoto, e
descrever as caracteŕısticas como peso e dimensões f́ısicas.
Figure 6: Concepção do sistema de controle de posição de uma antena. (Fonte:
Nise, 2017)
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 1
Estabelecer o desejo de posicionar a antena a partir de um local remoto, e
descrever as caracteŕısticas como peso e dimensões f́ısicas.
Figure 7: Representação detalhada do sistema de controle de posição de uma
antena. (Fonte: Nise, 2017)
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 2
Traduzir uma descrição qualitativa do sistema em um diagrama de blocos
que descreva as partes constituintes do sistema e suas interconexões.
Figure 8: Diagrama de blocos do sistema de controle de posição de uma antena.
(Fonte: Nise, 2017)
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Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 3
Transformar o sistema f́ısico em um diagrama esquemático. Deve-se fazer
aproximações e desprezar determinados fenômenos para facilitar a
construção de um modelo matemático em etapas seguintes.
Figure 9: Diagrama esquemático do sistema de controle de posição de uma
antena. (Fonte: Nise, 2017) 15 / 20
Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 4
Utilizar as leis f́ısicas que regem o comportamento do sistema (ex: leis de
Kirchhoff, lei de Newton) para modelar o sistema matematicamente.
Um desses modelos pode ser uma equação diferencial linear invariante no
tempo de ordem n:
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Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 5
Reduzir o diagrama de blocos do sistema a um único bloco com um modelo
matemático que represente o sistema da sua entrada para sua sáıda.
Figure 10: Diagrama de blocos simplificado para o sistema de controle de
posição de uma antena. (Fonte: autor)
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Etapa 6
Verificar se as especificações de resposta e os requisitos de desempenho
podem ser atendidos por simples ajustes nos parâmetros do sistema.
Figure 11: Resposta do sistema de controle de posição de uma antena com
ganho do controlador.(Fonte: Nise, 2017)
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Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Exemplo: Controle de Posição de Uma Antena
Figure 12: Sinais de teste usados em sistemas de controle. (Fonte: Nise, 2017)19 / 20
Introdução Breve Histórico Conceitos Importantes Projeto em Sistemas de Controle Referências
Referências
Referências Bibliográficas:
• NISE, Norman S. ”Engenharia de Sistemas de Controle”. 7a ed. Rio
de Janeiro, Brasil: Editora LTC, 2017.
• OGATA, K. ”Engenharia de Controle Moderno”. 4a ed. São Paulo,
Brasil: Editora Pearson Prentice Hall, 2007.
20 / 20
	Introdução
	Breve Histórico
	Conceitos Importantes
	Projeto em Sistemas de Controle
	Referências