Aula01_Intro

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5COPR-NT1 - Controle de Processos
Ementa
O aluno irá desenvolver a habilidade de projetar sistemas de controle de 
processos utilizando o MATLAB, aplicando os conceitos básicos em 
monitoração e controle de variáveis em processos automatizados. 
Para isso o aluno terá oportunidade de implementar soluções utilizando às 
técnicas de modelagem e identificação de sistemas em regime estacionário 
e transitório, por meio da análise do lugar das raízes e resposta em 
frequência. 
Ele será capacitado a analisar as respostas de sistemas de controle 
observando o desempenho final do processo controlável.
 Todo esse processo será realizado por meio de atividades práticas, 
debates, elaboração de projetos de controle e provas teóricas individuais.
Objetivos
1. Identificar os principais instrumentos utilizados para a implementação de sistemas de 
controle, tais como os instrumentos de medição, transmissão, controladores e atuadores.
2. Desenvolver estratégias para controle de variáveis de processo, demonstrando as 
suas características, vantagens e desvantagens.
3. Descrever a resposta dinâmica de processos industriais utilizando modelos 
matemáticos fenomenológicos e empíricos, para fins de análise, projeto e operação de 
sistemas de controle.
4. Projetar e sintonizar controladores de realimentação, analisando a estabilidade da 
malha de controle e utilizando diferentes técnicas de sintonia disponíveis na literatura.
5. Executar simulações para fins de estudo e controle das principais variáveis de 
processos, usando o MATLAB.
Conteúdos
1. Termos importantes do controle automático 
de processo etapas do controle;
2. Evolução do controle automático. 
3. Características, vantagens e desvantagens 
das estratégias de controle feedback; 
feedforward;
4. Objetivo da modelagem para controle de 
processos não lineares
5. Estudo de sistemas não lineares.
6. A transformada de Laplace (definição, 
propriedades). 
7. Função de Transferência. 
8. Resposta dinâmica dos sistemas de primeira ordem
9. Aplicações, características, vantagens e 
desvantagens dos principais tipos de Controladores
10. Conceito de sintonia
11. Projeto de Sistemas de Controle de Processos. 
12. Análise de Sistemas de Controle de 
Realimentação através do lugar das raízes
13. Estudo do tutorial do Matlab (Simulink ) e 
reprodução de exemplos.
14. Modelagem, simulação de processos diversos, 
encontrados na literatura, trazidos pelos alunos e 
reproduzidos no Simulink.
 
Bibliografia
Básica
BISHOP, Robert H. Sistemas de Controle 
Modernos. Rio de Janeiro: Enciclopédia Britânica 
do Brasil Publicações, 2001.
SIGHIERI, Lúciano; NISHINARI, Akiyoshi. 
Controle automático de processos industriais: 
instrumentação. 2. ed. São Paulo: SENAC, 2012.
OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle 
Moderno. Rio de Janeiro: Editor Borsoi, 1997.
Complementar
CARVALHO, J.l. Martins de. Sistemas de Controle 
Automático. Rio de Janeiro: Mackenzie, 2000.
FRANKLIN, Gene F. Digital Control Of Dynamic 
Systems. São Paulo: Pioneira, 1997.
CHEN, C. T. Linear system theory_and_design. USA: 
Oxford University Press, 1998.
HARBOR, Royce D. Sistemas de Controle e 
Realimentação. São Paulo: Companhia das Letras, 
1997.
OGATA, Katsuhiko. Discrete-time Control Systems. 
New Jersey: Lge, 1995.
 
Avaliação
AV1
80% Prova discursiva 
20% Lista de Exercícios / Trabalhos 
AV2 
80% Prova discursiva
20% Listas de Exercícios /Trabalhos
AV3 (Opcional)
Funcionará como substitutiva
100% Prova discursiva. Só poderá fazer 
a AV3 quem tiver média >=4.0
Cálculo da Média >= 6
(AV1 + AV2 ) / 2 
Faltas Reprovam!
>=75%/
Introdução
✓ Em ambos os fenômenos, grandes massas são transportadas através do ar com 
uma energia gigantesca, seguindo as mesmas leis da dinâmica dos fluidos e da 
termodinâmica !
✓ Qual é a diferença fundamental entre eles?
O controle de processos 
“O Controle consiste na modificação do comportamento do sistema 
(processo), de modo que a nova relação passe a atender requisitos de 
desempenho que o sistema não atenderia naturalmente.”
O controle de processos
“O Controle consiste na modificação do comportamento do sistema 
(processo), de modo que a nova relação passe a atender requisitos de 
desempenho que o sistema não atenderia naturalmente.” “
Alterar a relação entre a entrada e saída do 
sistema de modo a atender os requisitos de 
desempenho.
O controle de processos
O Controle consiste na modificação do comportamento do sistema 
(processo), de modo que a nova relação passe a atender requisitos de 
desempenho que o sistema não atenderia naturalmente.”
Com a menor complexidade possível, o menor 
custo possível e a menor intervenção humana 
possível.
O que é um sistema de controle? 
“Um sistema de controle consiste em subsistemas e processos (ou 
plantas) construídos com o objetivo de se obter uma saída desejada 
com um desempenho desejado, dada uma entrada especificada.”
Normam Nise
Composição de um sistema de controle
Processo
Processo é o sistema físico que se deseja controlar.
Exemplos:
✓ O lançamento de um foguete ou míssil
✓ Uma plataforma de petróleo em alto mar
✓ Um processo industrial
✓ Um fluido em uma tubulação
✓ O voo de uma aeronave
✓ A órbita de um satélite
✓ O posicionamento de uma antena parabólica
Composição de um sistema de controle
Variável Controlada ou Saída
É a variável do processo físico que deverá ser forçada a um valor fixo ou a seguir uma 
trajetória de referência.
Exemplos:
✓ A trajetória de um foguete ou míssil
✓ A posição de uma plataforma de petróleo em alto mar
✓ A temperatura em um processo industrial
✓ A pressão de um fluido em uma tubulação
✓ O ângulo de mergulho de uma aeronave
✓ A altitude de um satélite
Composição de um sistema de controle
Variável Manipulada ou Entrada
É a variável na qual o sistema de controle atua sobre a planta visando forçar a variável 
controlada a seguir o sinal de referência.
Exemplos:
✓ A direção em que os gases são ejetados do foguete.
✓ Pressão dos propulsores e ângulo do leme da plataforma.
✓ A pressão do vapor quente em um processo industrial.
✓ Ângulo de abertura da válvula de escape da tubulação.
✓ Os ângulos de abertura dos flaps de uma aeronave.
✓ A tensão na armadura do motor que gira a antenna.
Composição de um sistema de controle
Atuador
É o dispositivo que recebe um sinal de controle (geralmente uma tensão ou corrente 
elétrica) e atua fisicamente no processo, modificando sua entrada (variável manipulada). 
Exemplos:
✓ Propulsores, 
✓ lemes, 
✓ motores DC, 
✓ válvulas, 
✓ bombas, etc
Composição de um sistema de controle
Controlador ou Compensador
É o dispositivo que recebe o sinal de referência a ser seguido e emite o sinal de controle 
para o atuador, com o objetivo de forçar que a saída do processo siga o sinal de referência 
recebido.
Pode ser analógico (implementado com amplificadores operacionais) ou digital 
(microprocessador + conversores A/D e D/A + algoritmo de controle):
Composição de um sistema de controle
Planta
É o conjunto Atuador + Processo.
Do ponto de vista do projeto do controlador, a dinâmica do atuador é mesclada à dinâmica 
do processo, formando 1 único sistema a ser controlado, chamado de “planta”.
Planta
Composição de um sistema de controle
Realimentação
Técnica que consiste em medir a variável de saída através de um Sensor e reinjetar esta 
informação na entrada do Controlador.
Um sistema de controle com realimentação é dito ser um sistema de controle em malha 
fechada.
Composição de um sistema de controle
Malha Fechada (closed-loop control system)
O Sensor é um dispositivo que tem por objetivo medir uma grandeza física do processo 
(pressão, temperatura, umidade, salinidade, deslocamento, velocidade, aceleração, massa, 
ângulo, velocidade angular, etc.), convertendo o valor medido em um sinal elétrico de tensão 
ou de corrente.
Composição de um sistema de controle
Malha Fechada: Erro de Rastreamento
Em sistemas de malha fechada, o controladorse baseia no erro de rastreamento, ou seja na 
diferença entre o valor desejado para a saída (referência) e o valor medido pelo Sensor 
(supostamente o valor real, a menos das imperfeições e da dinâmica do Sensor).
O sinal de entrada depende tanto da referência quanto do sinal de saída, através do sinal de 
erro.
Composição de um sistema de controle
Perturbação ou distúrbio
Todo tipo de interferência externa inevitável que afeta a variável que se deseja controlar.
Exemplos:
✓ Rajadas de vento e turbulência em um sistema de piloto automático de aeronave.
✓ Alguém abrindo a tampa de um freezer cuja temperatura está sendo controlada.
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
✓ Planta: 
✓ Variável controlada(Saída): 
✓ Entrada (QE): 
✓ Distúrbio (Qs): 
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
✓ Planta: casa
✓ Variável controlada(Saída): temperatura
✓ Entrada (QE): calor fornecido pelo aquecedor
✓ Distúrbio (Qs): calor perdido pela janela
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
✓ Planta: casa
✓ Variável controlada(Saída): temperatura
✓ Entrada (QE): calor fornecido pelo aquecedor
✓ Distúrbio (Qs): calor perdido pela janela
✓ Atuador: 
✓ Ação de controle (u): 
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
✓ Planta: casa
✓ Variável controlada(Saída): temperatura
✓ Entrada (QE): calor fornecido pelo aquecedor
✓ Distúrbio (Qs): calor perdido pela janela
✓ Atuador: válvula de gás + aquecedor
✓ Ação de controle (u): saída do termostato (aberto ou fechado)
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
✓ Planta: casa
✓ Variável controlada(Saída): temperatura
✓ Entrada (QE): calor fornecido pelo aquecedor
✓ Distúrbio (Qs): calor perdido pela janela
✓ Atuador: válvula de gás + aquecedor
✓ Ação de controle (u): saída do termostato (aberto ou fechado)
✓ Sensor e controlador: 
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
✓ Planta: casa
✓ Variável controlada(Saída): temperatura
✓ Entrada (QE): calor fornecido pelo aquecedor
✓ Distúrbio (Qs): calor perdido pela janela
✓ Atuador: válvula de gás + aquecedor
✓ Ação de controle (u): saída do termostato (aberto ou fechado)
✓ Sensor e controlador: termostato (controlador do tipo on-off)
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
Composição de um sistema de controle
Exemplo: Sistema de aquecimento de uma casa
Composição de um sistema de controle
Malha aberta x Malha Fechada
Composição de um sistema de controle
Malha aberta 
Exemplo de Controle em Malha Aberta: MÁQUINA DE LAVAR
✓ Uma máquina de lavar roupas segue uma programação fixa 
pré-configurada.
✓ Não há nenhum sensor medindo o quão limpas estão as roupas.
Composição de um sistema de controle
Malha aberta 
Vantagens:
✓ Simples construção e fácil manutenção, visto que não há sensores e todos os sinais de controle 
seguem uma temporização fixa pré-configurada.
✓ Não há problemas com estabilidade, exceto quando o processo já é naturalmente instável (exemplo: 
fissão nuclear).
✓ É uma solução conveniente quando é difícil (ou muito caro) se construir um sensor (exemplo: um 
sensor que verifique e indique que todas as roupas estão limpas seria bem difícil de ser construído).
Desvantagens:
✓ Alta sensibilidade a perturbações: pequenas perturbação no processo podem ocasionar valores 
diferentes dos desejados na saída do processo.
✓ Alta sensibilidade a variação paramétrica: pequenas variações nos parâmetros do processo, 
atuadores ou sensores também podem ocasionar valores diferentes dos desejados na saída do 
processo necessidade de calibração frequente
Composição de um sistema de controle
Malha aberta x Malha Fechada
Composição de um sistema de controle
Malha Fechada 
Vantagens da malha fechada:
✓ maior precisão;
✓ rejeição do efeito de perturbações externas;
✓ melhora do desempenho dinâmica do sistema (resposta mais rápida, amortecimento de oscilações, 
etc.)
✓ menor sensibilidade a variações paramétricas no processo, nos sensores e nos atuadores (sistema 
mais robusto).
Desvantagens:
✓ maior custo
✓ manutenção mais complexa (mais componentes para dar problema)
✓ risco de instabilidade
Composição de um sistema de controle
Malha aberta x Malha Fechada
Composição de um sistema de controle
Malha aberta x Malha Fechada
X
Composição de um sistema de controle
Malha aberta x Malha Fechada
X
Operar em Malha Aberta é 
como dirigir de olhos 
vendados !