CONTROLO. 2º semestre 2007/2008. Transparências de apoio às aulas teóricas. Capítulo 1 Introdução ao Controlo: Exemplos Motivadores

Transcrição

1 Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores (LEEC) Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores (DEEC) CONTROLO 2º semestre 2007/2008 Transparências de apoio às aulas teóricas Capítulo 1 Introdução ao Controlo: Exemplos Motivadores Maria Isabel Ribeiro António Pascoal Revisão: Setembro de 2007 Todos os direitos reservados Estas notas não podem ser usadas para fins distintos daqueles para que foram elaboradas (leccionação no Instituto Superior Técnico) sem autorização dos autores 1/Cap.1

2 MOTIVAÇÃO O que é um SISTEMA DE CONTROLO? Um conjunto de sub-sistemas (dispositivos electrónicos, sistemas de computação, actuadores, etc.) e um processo (instalação) que interactuam de modo a levar a saída desse processo a exibir um comportamento desejado. Entrada: estímulo Resposta desejada Sistema de controlo Saída: resposta Resposta efectiva Os sistemas de controlo automático Fazem parte integrante da sociedade moderna (fruto da intervenção do homem), Estão presentes, desde sempre, na natureza, São importantes em inúmeras aplicações, em áreas muito diversas. 2/Cap.1

3 MOTIVAÇÃO O que é um SISTEMA DE CONTROLO? Entrada: estímulo Resposta desejada Sistema de controlo Saída: resposta Resposta efectiva Controlo de posição de um elevador Resposta desejada indicação do piso para onde se pretende ir Resposta efectiva variação da altura do elevador com o tempo Piso 0 Requisitos Pretende-se que não haja disnivelamento final Quando o elevador pára, não deve ficar a oscilar em torno da posição em que vai parar O comportamento deve ser independente da carga (para certos limites de carga) A movimentação do elevador deve fazer-se sem solavancos 3/Cap.1

4 MOTIVAÇÃO O que é um SISTEMA DE CONTROLO? Entrada: estímulo Resposta desejada Sistema de controlo Saída: resposta Resposta efectiva Controlo de temperatura de uma sala Resposta desejada temperatura constante (p.e. igual a 22ºC) Resposta efectiva temperatura da sala Porque varia a temperatura da sala? variação da temperatura ambiente Abertura de portas e/ou janelas Número de pessoas na sala Sistema de aquecimento/arrefecimento central Temperatura desejada Termostato Válvula de gás Fornalha Perdas de calor Sala Temperatura da sala Que aconteceria se a retroacção fosse interrompida? Retroacção (feedback) 4/Cap.1

5 Um moderno sistema de controlo avalia as condições de operação do sistema compara-as com o comportamento desejado calcula acções correctivas com base num modelo do sistema actua no sistema para implementar essas acções correctivas Sistema Actuação Computação Sensoriamento / Percepção Sistema de controlo implementado em computador Ruído Perturbações externas Ruído Actuadores Sistema Sensores Saída Processo Relógio Controlador D/A Computador A/D Entrada de referência Processo: Sistema físico, actuacção, sensores Controlador: microprocessador (onde é executado um algoritmo) + A/D + D/A Objectivos do controlo Modificar o comportamento do sistema (processo) Fazer com que a saída do sistema (processo) siga uma entrada de referência E simultaneamente, o sistema controlado: Deve ser estável Ter boa rejeição de perturbações Responder rapidamente a alterações nos set-points 5/Cap.1

6 EXEMPLOS Mecanismos biológicos de controlo no Corpo Humano Variáveis que são controladas Pressão sanguínea Concentração de açúcar no sangue Dióxido de carbono Diâmetro das pupilas... Problema: seguimento de objectos Os olhos ou (olhos+cabeça) ou (olhos+cabeça+tronco) são capazes de seguir um objecto móvel por forma a mantê-lo dentro do campo de visão Zona de maior acuidade visual Luz incidente Retina eixo óptico Pupila Lente Fóvea central Córnea Eixo óptico Iris Nervo óptico θ ocular Retina Δθ Musculos oculares Δθ =θ ocular - θ objecto Sistema de visão θ objecto 6/Cap.1

7 EXEMPLOS Sistema de controlo em biomedicina CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Criação de implantes que permitam a administração automática de medicamentos em doentes insulina em diabéticos valores para um não diabético controlo em cadeia aberta controlo em cadeia fechada modelo matemático da relação causa-efeito na administração de um fármaco características do paciente Figuras retiradas de Modern Control Systems, R.Dorf, R.Bishop 7/Cap.1

8 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistemas térmicos Variáveis que são controladas temperatura Aplicações Sistemas de aquecimento central em edifícios Processos industriais (químicos) sistema de controlo de temperatura água fria água quente OBJECTIVO: manter constante a temperatura da água no tanque Entrada: temperatura desejada, Τ ref Sistema de controlo de temperatura Saída: temperatura real, Τ Duas estratégias de controlo: colocar as torneiras em posições pré-determinadas CADEIA ABERTA ir actuando nas torneiras em função da avaliação da temperatura da água no tanque CADEIA FECHADA 8/Cap.1

9 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistema de controlo de temperatura CADEIA ABERTA As torneiras da água fria e da água quente são colocadas em posições pré-determinadas p.e., resultante da experiência de um operador Nem a saída (temperatura da água no tanque) nem outras variáveis do sistema (p.e., temperatura da água nos canos, temperatura ambiente) são usadas. Que sucede se houver PERTURBAÇÕES às condições normais de funcionamento? Que sucede se: temperatura da água nas canalizações diferente da habitual? A temperatura ambiente for mais baixa do que usualmente? O depósito de água quente ficar sem água? PERTURBAÇÕES o sinal de saída não tem o valor desejado O êxito deste tipo de controlo EM CADEIA ABERTA depende de: Calibração do elemento de controlo Periodicidade da ocorrência das acções de controlo (experiência do operador) Ausência de perturbações 9/Cap.1

10 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistema de controlo de temperatura CADEIA FECHADA Existe retroacção quer a saída, quer outras variáveis do sistema afectam a actuação do sistema Tipo de retroacção Manual Automática Controlo automático em cadeia fechada água fria Ampl. motor engrenagens água quente Ampl. motor engrenagens Τ ref controlador Τ termopares Sensores termopares tensões eléctricas proporcionais às temperaturas lidas Controlador compara a temperatura de referência, Tref, com uma função das temperaturas lidas. A saída é uma tensão eléctrica que vai actuar o sistema ampl+motor+engrenagens Amplificador e Motor actuação na posição angular das torneiras Engrenagens o motor é inerentemente um dispositivo de alta velocidade e as torneiras devem ser actuadas lentamente. 10/Cap.1

11 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistema de controlo de temperatura CADEIA FECHADA a introdução da realimentação reduz os efeitos de perturbações externas ou de variação de parâmetros (incerteza no modelo do sistema físico) mas... pode conduzir a situações de instabilidade Exemplo: posição fixa na torneira de água fria água fria água quente Ampl. motor engrenagens Τ ref controlador Τ T muito baixo Aumentar caudal de água quente Há atraso na propagação da água quente nas canalizações T baixa ainda mais T > Τ ref... T < Τ ref Aumentar ainda mais caudal de água quente Quando finalmente a água quente atinge a torneira, vem muito quente Diminuir o caudal de água quente Ganho elevado + atraso instabilidade 11/Cap.1

12 Sistemas mecânicos EXEMPLOS Variáveis que são controladas Posição (linear, angular) Velocidade (linear, angular) Força Binário Aplicações Sistemas de transporte Elevadores Automóveis Robots móveis (terrestres, submarinos) Aviões International Space Station (ISS) Linhas de montagem em fábricas Sistemas de comunicações Antenas Dispositivos eléctricos e electrónicos Leitores de CD Máquinas fotográficas Discos de PCs 12/Cap.1

13 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Controlo de um manipulador com duas articulações Controlo de posição do efector terminal Variações imprevisíveis Perturbações (binários aplicados) u 1 (volt) u 2 (volt) Sistema a controlar Sistema mecânico + motores θ 1 (rad) θ 2 (rad) u 1. u 2. sinais eléctricos θ 1, θ 2 posições das articulações ESTRATÉGIA DE CONTROLO Variações imprevisíveis θ 1 ref θ 2 ref Sinais a seguir Controlador u 1 u 2 SISTEMA DE CONTROLO Sistema a controlar S 1 S 2 sensores n ruído θ 1 (rad) θ 2 (rad) 13/Cap.1

14 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica ANDROS robot terrestre para o desmantelamento de bombas Empresa: REMOTEC Robot de soldadura na indústria automóvel Robot de pintura 14/Cap.1

15 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Manipulador Soporcel Figueira da Foz Mãos robóticas 15/Cap.1

16 EXEMPLOS Sistemas mecânicos de posição CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Condução de um automóvel por um operador humano perturbações Direcção de movimento desejada + _ Erro condutor Sistema de controlo de direcção automóvel Direcção de movimento actual Sensores visuais e tácteis Ruidos nos sensores E se não houvesse retroacção? perturbações Direcção de movimento desejada condutor Instituto Superior Técnico- Controlo 2006/2007 Sistema de controlo de direcção automóvel Direcção de movimento actual Que aconteceria se: Houvesse um obstáculo inesperado? Uma das rodas passasse por cima de um obstáculo? Um dos pneus ficasse com menos ar? O piso tivesse óleo? 16/Cap.1

17 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistemas mecânicos de posição Condução de um Veículo Guiado Automaticamente (AGV) que deve seguir AUTOMATICAMENTE uma trajectória definida no chão Aplicações Transporte automático de materiais ou de produtos acabados em unidades industriais Tem características que variam no tempo: peso da carga envelhecimento do material carga das baterias Incertezas no modelo matemático do AGV Trajectória desejada Sinal de erro + _ Controlador Implementado no computador de bordo do AGV ruído dos sensores Motor de direcção Sensores de posição AGV Retroacção Perturbações Piso irregular Trajectória efectiva 17/Cap.1

18 EXEMPLOS Sistemas mecânicos de posição Trajectória desejada Trajectória real O controlo é implementado para que a trajectória real se aproxime da trajectória desejada, independentemente das perturbações e incertezas Laser Guided Vehicle Soporcel Fábrica de Papel NASA Mars rover 18/Cap.1

19 EXEMPLOS Remotely Operated Vehicle (ROV) Controlo de posição referido a O canal acústico Controlo de atitute referido a O giroscópios e câmaras Incertezas no modelo Motores de propulsão ROV d (correntes) posição orientação trajectória Controlador n 1 giroscópio n 2 Canal acústico 20/Cap.1

20 EXEMPLOS Veículo submarino autónomo CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Movimento no plano horizontal orientação real orientação desejada Objectivo do controlo: levar o erro de orientação do veículo para zero 21/Cap.1

21 EXEMPLOS Veículo submarino autónomo Movimento no plano horizontal Sistema de controlo de orientação COMPUTADOR + ALGORITMO DE CONTROLO Leme vertical Veículo + SENSOR DE ORIENTAÇÃO Valor desejado O modelo do veículo não traduz exactamente o comportamento do veículo. Há incertezas. O veículo está sujeito a perturbações (p.e., correntes) Os sinais dos sensores são ruidosos 22/Cap.1

22 EXEMPLOS Veículos marinhos Catamaran Autónomo DELFIM - ISR, Lisboa Vai-vém Submarino 23/Cap.1

23 EXEMPLOS Veículos Aéreos Helicóptero Autónomo X-Treme - ISR, Lisboa 24/Cap.1

24 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistema de controlo de temperatura Forno de vidro Fábrica da Barbosa & Almeida Instituto Superior Técnico- Controlo 2006/ /Cap.1

25 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistema de controlo de temperatura Forno de vidro Fábrica da Barbosa & Almeida envelhecimento Variações na composição do fuel, temperatura do ar, etc Queimador FORNO ºC ºC no chão controlador controlador implementado em computador sensor 26/Cap.1

26 EXEMPLOS Sistemas de controlo industriais Máquina de papel Fábrica de Papel Soporcel, Figueira da Foz Matéria prima à entrada: pasta de papel Saída: produção (ao ritmo de 72Km/h) de uma folha de papel, em rolo, com uma largura de 8.6m e uma espessura de 0.1mm Pasta de papel Bobines de papel Comprimento: 161m Algumas das variáveis que é preciso controlar Temperatura Velocidade Espessura Humidade... Detalhes do processo de fabrico na máquina de papel 27/Cap.1

27 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Sistemas Mecânicos de Posição Controlo do azimute de uma antena perturbações ruído Eliminação do efeito das perturbações (p.e., vento) Amplificação de potência resultado da existência do amplificador de potência 28/Cap.1

28 EXEMPLOS CONTROLO:motivação e perspectiva histórica Controlo do azimute de uma antena Quando a saída é igual à entrada, o erro é nulo e o motor não roda. Quanto maior o erro, maior a tensão à entrada do motor, e maior a velocidade de rotação do motor. Consequências de aumentar o ganho do amplificador Varia o valor da saída em regime estacionário? Não. Varia apenas a resposta transitória. O erro em regime estacionário mantém-se nulo. 29/Cap.1

29 EXEMPLOS ISS International Space Station Uma fase da assemblagem Após a conclusão da assemblagem 31/Cap.1

30 OUTROS EXEMPLOS 32/Cap.1

31 SISTEMAS DE CONTROLO em CADEIA FECHADA Nomenclatura Sinal de comando Perturbação Perturbação Entrada de Referência + _ Transdutor Erro + de entrada Controlador Actuador Processo Variável Controlada + + Ruído nos sensores Transdutor de saída ou sensor Cadeia de retroacção 33/Cap.1

32 FASES NO PROJECTO DE CONTROLO Sistema Físico Modelo modelação Representação Matemática Análise Síntese/Projecto Modelação encontrar as leis que regem o comportamento do sistema, a partir de consideração de ordem física podem ser consideradas hipóteses simplificativas ao mesmo sistema físico podem corresponder modelos distintos Do Modelo para a Representação Matemática Utilização das leis físicas na tradução matemática das hipóteses simplificativas da modelação Estimação dos parâmetros do modelo (p.e., por experimentação) Ao mesmo modelo podem corresponder diversas representações matemáticas Análise Caracterização do comportamento do sistema resposta no termpo, resposta em frequência, estabilidade,... Síntese projecto de controladores para que a resposta do sistema satisfaça determinadas especificações 34/Cap.1