Controle de Sistemas

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1 Controle de Sistemas Introdução aos Sistemas de Controle Renato Dourado Maia Universidade Estadual de Montes Claros Engenharia de Sistemas

2 Uma Pergunta O que é controle? 2/42

3 A Resposta Vamos entender o que controle por meio da análise de uma coisa que todos nós fazemos (tomara!) em todos os dias (frios): tomar um banho quente. 3/42

4 Banho Quente Controlador? Atuador? Censurado!!! Sensor? Como fazemos para que a água fique numa temperatura agradável? 4/42

5 Banho Quente O que se deseja é manter a temperatura da água com o valor mais próximo possível de um valor desejado, que é normalmente denominado setpoint. Quando fazemos isso para o banho quente, estamos realizando um controle manual em malha fechada! Como seria um controle manual em malha aberta? 5/42

6 Controle Manual em Malha Fechada 6/42

7 Malha de Controle Fechada PROCESSO ENTRADA DE ÁGUA FRIA SAIDA DE ÁGUA QUENTE ENTRADA DE VAPOR VÁLVULA DE CONTROLE CORREÇÃO CONTROLE MEDIÇÃO COMPARAÇÃO ONDE ESTÁ A MEDIÇÃO? ONDE ESTÁ O CONTROLE? ONDE ESTÁ O CONTROLADOR? 7/42

8 Controle Automático 8/42

9 Ação de Controle Manual DESVIO + VALOR DESEJADO (SET-POINT) VALOR OBTIDO 0 - ERRO TEMPO O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma amplitude de variação excessiva do valor da variável que se deseja controlar. 9/42

10 DESVIO VARIÁVEL SET POINT DESVIO SET POINT DESVIO SET POINT 10

11 Ação de Controle Automática DESVIO + VALOR OBTIDO VALOR DESEJADO (SET-POINT) 0 - ERRO TEMPO O controle automático proporciona uma redução no erro, com um tempo de ação e uma precisão impossíveis de serem alcançados pelo controle manual. 11/42

12 Processo Um processo é um conjunto de operações e funções que dependem de variáveis e pode ser: Contínuos: chuveiro de água quente. Batelada: assar um bolo. As variáveis, tais como temperatura, pressão, vazão, nível, precisam de medição e controle. INSTRUMENTAÇÃO!!! 12/42

13 Instrumentação A utilização de instrumentos permite: Incrementar e controlar a qualidade do produto. Aumentar a produção e o rendimento. Obter e fornecer dados sobre: Matéria prima. Produção. Economia dos processos. Relação direta com AUTOMAÇÃO! 13/42

14 Por Que Controle? As plantas industriais devem ser operadas em circunstâncias específicas e conhecidas, de modo a garantir três requisitos básicos: Segurança. Continuidade Operacional: evitar eventuais paradas na produção. Economia: as plantas industriais são voltadas para a obtenção de lucro. 14/42

15 Por Que Controle? Segurança Explosão em Caldeira 15/42

16 Por Que Controle? O que acontece quando alguém dá descarga quando estamos num banho quente? A descarga representa uma perturbação... Sistemas em malha fechada rejeitam perturbação, enquanto sistemas em malha aberta não... 16/42

17 Sistema de Controle O que é um Sistema de Controle? É uma interconexão de componentes, formando uma configuração que produzirá uma resposta desejada do sistema. Entrada; estímulo Resposta desejada Sistema de controle Saída; resposta Resposta real 17/42

18 Benefício Principal O principal benefício de um sistema de controle é a compensação de perturbações. Vamos entender a questão da perturbação por meio de exemplos... 18/42

19 Outros Benefícios A ENGENHARIA DE CONTROLE AUTOMAÇÃO PERMITE AO HOMEM TRABALHAR COMO SER PENSANTE NO PROCESSO: Evita esforços manuais e/ou repetitivos. Permite que o operador assuma o papel de supervisor. Afasta o homem de lugares e operações perigosas. 19/42

20 Homem + Máquina Para implantar e perpetuar as melhores práticas, devemos deixar que as máquinas façam aquilo que sabem fazer: realizar uma rotina repetitivamente. O operador deve realizar aquilo que é especialidade do ser humano: intervenções sob demanda, análise e tomada de decisão. = CONTROLE E AUTOMAÇÃO 20/42

21 Homem x Máquina A Engenharia de Controle e Automação substitui o homem apenas em atividades próprias da máquina. 21/42

22 Uma Malha/Operador 22/42

23 Algumas Malhas/Operador 23/42

24 Várias Malhas/Operador 24/42

25 Salas de Controle 25/42

26 Dezenas de Malhas/Operador 26/42

27 Centenas de Malhas/Operador 27/42

28 Panorama Atual 28/42

29 Panorama Atual 29/42

30 Centro de Comando 30/42

31 O Engenheiro de Sistemas de Controle A Engenharia de Controle e Automação é um campo excitante para a aplicação dos talentos de en-genharia, porque ela percorre inúmeras áreas de conhecimento, e inúmeras funções nessas á- reas. O Engenheiro de Controle e Automação pode ser en-contrado no nível mais alto de grandes projetos, envolvido na fase conceitual de determinar ou implementar os requisitos globais do sistema. 31/42

32 Introdução aos Sistemas de Controle Sistema de controle a malha aberta (sem retroação): Perturbação 1 Perturbação 2 Entrada ou Referência Transdutor de Entrada Controlador + + Processo Junção Somadora ou Planta + + Junção Somadora Saída ou Variável Controlada Entrada ou Referência Sistema de controle a malha fechada (com retroação): Transdutor de Entrada + - Erro ou Sinal Atuante Controlador Perturbação 1 Perturbação Processo Junção Somadora Transdutor de Saída ou Sensor ou Planta + + Junção Somadora Saída ou Variável Controlada 32/42

33 Alguns Conceitos Variável controlada é a grandeza ou a condição que é medida e controlada; variável manipulada é a grandeza ou condição modificada pelo controlador, de modo a afetar a variável controlada. Uma planta pode ser parte de um equipamento ou apenas um conjunto de componentes de um equipamento que funcione de maneira integrada, com o objetivo de realizar determinada operação. 33/42

34 Alguns Conceitos Um sistema é a combinação de componentes que agem em conjunto para atingir determinado objetivo (sistemas físicos, biológicos, econômicos). 34/42

35 Analógico x Digital Antena Potenciômetro Entrada do ângulo de azimute desejado Saída de ângulo de azimute Analógico Antena Computador Cabo Digital Saída de ângulo de azimute 35/42

36 Detalhamento do Caso Analógico Antena Potenciômetro Ângulo de azimute de entrada desejado Ângulo de azimute de saída Potenciômetro Antena Ângulo de azimute de entrada desejado Ângulo de azimute de saída Amplificador diferencial e amplificador de potência Motor Potenciômetro 36

37 Detalhamento do Caso Analógico Potenciômetro Amplificadores Amplificador diferencial e de potência K Motor Resistência da armadura Armadura Campo constante Engrenagem Engrenagem Inércia Amortecimento viscoso Potenciômetro 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 37

38 Uma Frase para Motivar... A teoria, a prática e as aplicações de controle automático constituem um ramo da engenharia muito amplo, excitante e extremamente útil. Alguém não percebe que a motivação para o estudo de sistemas de controle modernos é imensa? Hã? Hã? Hã? 38/42

39 Projeto de Sistemas de Controle Algumas palavras para lembrarmos: Perturbação Custo-benefício Segurança Produtividade Otimização Desempenho Robustez EQUIPE DEDICAÇÃO EDUCAÇÃO ESTUDO TRABALHO RESPEITO Etc... Etc... Etc... 39

40 Atuação do Engenheiro de Controle Pode-se constatar que a tarefa de um engenheiro de controle é também prestar assistência de natureza iterativa, particularmente a partir de uma visão sistêmica de desempenho. Um bom engenheiro de controle não é apenas a- quele capaz de realizar grandes projetos de comtrole, mas principalmente aquele capaz de indicar de forma direta e convincente quando os objetivos de desempenho não podem ser atingidos ou tornados mais rígidos. 40/42

41 Atuação do Engenheiro de Controle Em problemas práticos, alguns aspectos devem ser considerados: Existência de incertezas. Plantas de fase não-mínima. Existência de dinâmicas não-modeladas, principalmente em altas frequências, que são fontes de incertezas. Ruído nos sensores e restrições no nível do sinal dos a- tuadores limitam o alcance dos benefícios da realimentação. 41/42

42 Desenvolvimento da Teoria de Controle Controle Clássico: Controle Moderno: Controle Robusto: nossos dias Análise Diagramas de Bode. Critério de Nyquist. Critério de Routh-Hurwitz. Lugar das Raízes. Margens de Ganho e Fase. Espaço de Estados. Controlabilidade. Observabilidade. Processos Estocásticos. SVD. Análise μ. Fatorização Espectral. Inequações Matriciais. Síntese Controladores PID. Compensação Lead-Lag. Filtro de Kalman. PLQ. PLQG. Síntese H2/H. Síntese μ. Paradigma Domínio da Frequência. SISO. Domínio do Tempo. MIMO. Domínio da Frequência + Espaço de Estados. O Contexto de nossa brincadeira!!! 42

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