Controle de Sistemas Dinâmicos. CSD1 - Introdução. Prof. Adolfo Bauchspiess ENE/UnB

Transcrição

1 Controle de Sistemas Dinâmicos CSD1 - Introdução Prof. Adolfo Bauchspiess ENE/UnB (Material de aula Complementar, adaptado parcialmente de Nise Eng. de Sist. de Controle)

2 Controle Automático Piloto automático aviões Robótica Processos industriais Pressão Temperatura Umidade Processos de fabricação ~1900: 40% da mão de obra na agricultura. Atualmente: USA < 2%; Br ~10% Revolução Verde + Automação Maior parte desta mão de obra tem profissões que não existiam em 1900! Profissões do Futuro? IOT, AI, 2

3 Objetivos Desempenho ótimo Ex. redução de consumo de combustível Maior produtividade Ex. repetibilidade Alívio no trabalho enfadonho Ex. montagem Segurança Ex. soldagem Saúde Ex. pintura 3

4 Marcos Históricos 1788 James Watt Controlador centrífugo de velocidade máquina a vapor 1932 Nyquist Estabilidade em malha fechada a partir da resposta senoidal ~1940 Bode, Nyquist Métodos de resposta em frequência 1948 Evans Método do Lugar Geométricos das Raízes 4

5 5 Mundo a Vapor - Canela/RS -

6 6 Mundo a Vapor - Canela/RS -

7 7 Mundo a Vapor - Canela/RS -

8 8 Mundo a Vapor - Canela/RS -

9 9 Mundo a Vapor - Canela/RS -

10 Mundo a Vapor - Canela/RS

11 Sistemas de Controle Estudo de um Sistema Físico Modelamento Físico Formulação Matemática Análise Dinâmica G( s) = 3 s s + b + 2aTs + 1 Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 11

12 Alguns Sistemas de Controle: Telecomunicações Orientação de satélites e antenas Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 12

13 Robótica Soldagem Laser & Selagem Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 13

14 Controle de Processos SCADA Supervisory Control and Data Acquisition Fonte: Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 14 CDin2-14

15 Automação Predial Conforto Térmico Segurança Racionalização de Energia Fonte: Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 15 CDin2-15

16 Projeto de Controladores Sistema Eq. Diferenciais Função de Transf. Eq. De Estados Estabilidade Rapidez Precisão Robustez Modelamento Leis Físicas Resposta ao Degrau Bode Sistema Modelo Projeto Testes Produto Síntese é um Processo Iterativo!! Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 16

17 Alguns Termos Técnicos (Jargão da Área) Perturbações Referência R(s) E(s) U(s) Y(s) Saída D(s) K G(s) Realimentação Servosistemas Reguladores Automáticos Controle de Processos Controlador Atuador H(s) Sensor Processo Sistema Planta Ruído (Controle em Malha Fechada) Complementos - Controle Dinâmico ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess 17

18 Técnicas de Controle Controle Clássico (CSD) Resposta em freqüência, Lugar das Raízes Controle Moderno (CEE) Variáveis de estado, sistemas multidimensionais, computadores digitais Controle Ótimo (pós) Controle Robusto (pós) Controle Adaptativo (pós) Controle Inteligente (ICIN/Inteligência Comp.) Redes Neurais Artificiais, Deep Learning, Fuzzy, Comp. Evolutiva 18

19 Classificação de Sistemas de Controle Lineares x não-lineares Faixa de operação linear superposição Ivariantes x variantes no tempo Foguete redução da massa Contínuo x discreto (clock) Parâmetros concentrados x p. distribuídos EDO x EDP Determinísticos x Estocásticos (ruído) 19

20 Fig. 1.1 Descrição simplificada de um sistema de controle Entrada; estímulo Resposta desejada Sistema de controle Saída; resposta Resposta real Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright 2000 John Wiley, Inc. 20

21 Fig. 1.5 Entrada e saída do elevador Comando de entrada Andar Resposta transitória Resposta de estado estacionário Erro de estado estacionário Resposta do elevador Tempo Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright 2000 John Wiley, Inc. 21

22 Fig. 1.6 Diagrama de blocos dos sistemas de controle: a. sistema a malha aberta; b. sistema a malha fechada Entrada ou Referência Entrada ou Referência Transdutor de Entrada Transdutor de Entrada + - Erro ou Sinal Atuante Controlador (a) Controlador Perturbação 1 Perturbação Processo Junção Somadora ou Planta + + Processo Junção Somadora ou Planta + + Junção Somadora Perturbação 1 Perturbação Junção Somadora Saída ou Variável Controlada Saída ou Variável Controlada (b) Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Transdutor de Saída ou Sensor Copyright 2000 John Wiley, Inc. 22

23 Fig. 1.9 Sistema de controle de posição da antena em azimute: a. conceito do sistema; b. leiaute detalhado; (a figura continua) Potenciômetro Ângulo de azimute de entrada desejado Potenciômetro Antena Ângulo de azimute de saída Antena Ângulo de azimute de entrada desejado Ângulo de azimute de saída Amplificador diferencial e amplificador de potência Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Motor Copyright 2000 John Wiley, Inc. Potenciômetro 23

24 Fig. 1.9 (continuação) c. esquema; d. diagrama de blocos funcional Potenciômetro Amplificadores Amplificador diferencial e de potência K Motor Resistência da armadura Armadura Campo constante Potenciômetro Engrenagem Engrenagem Inércia Amortecimento viscoso Engrenagem Entrada angular Transdutor de entrada Potenciômetro Tensão proporcional à entrada Junção de adição Erro ou Sinal atuante Controlador Amplific. de sinal e de potência Planta ou Processo Motor, carga e engrenagens Saída angular Tensão proporcional à saída Sensor (transdutor de saída) Potenciômetro Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright 2000 John Wiley, Inc. 24

25 Fig Resposta de um sistema de controle de posição mostrando o efeito de valores grande e pequeno para o ganho do controlador na resposta de saída Resposta Entrada Saída com ganho alto Saída com ganho baixo Tempo Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright 2000 John Wiley, Inc. 25

26 Fig O procedimento de projeto de sistemas de controle Passo 1 Passo 2 Passo 3 Passo 4 Passo 5 Passo 6 Determine um sistema físico e as especificações a partir dos requisitos Desenhe um diagrama de blocos funcional Transforme o sistema físico em um esquema Use o esquema para obter um diagrama de blocos, um diagrama de fluxo de sinal, ou uma representação no espaço de estados Se houver blocos múltiplos, reduza o diagrama de blocos em um único bloco ou sistema a malha fechada Analise, projete e teste para ver que requisitos e especificações são compatíveis Análogico: Digital: Capítulo 1 Capítulos 2, 3 Capítulo 13 Capítulo 5 Capítulo 13 Capítulos 4, 6-12 Capítulo 13 Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright 2000 John Wiley, Inc. 26

27 Tabela 1.1 Formas de onda de teste usadas em sistemas de controle Entrada Função Descrição Gráfico Uso Impulso Degrau Rampa Resposta transitória Modelagem Resposta transitória Erro de estado estacionário Erro de estado estacionário Parábola Erro de estado estacionário Senóide sen Resposta transitória Modelagem Erro de estado estacionário Copyright 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright 2000 John Wiley, Inc. 27