Denominação O Problema Um pouco de História Motivação Pré-requisitos Conceitos Bibliografia Recursos na Internet C. Capítulo 1. Gustavo H. C.

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1 Capítulo 1 Introdução Gustavo H. C. Oliveira TE055 Teoria de Sistemas Lineares de Controle Dept. de Engenharia Elétrica / UFPR Gustavo H. C. Oliveira Introdução 1/32

2 Este material contém notas de aula para suporte ao curso Teoria de Sistemas Lineares de Controle do Dept. de Engenharia Elétrica da UFPR. Não substitui o estudo dos livros recomendados na bibliografia do curso. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 2/32

3 Sumário 1 Denominação 2 O Problema 3 Um pouco de História 4 Motivação 5 Pré-requisitos 6 Conceitos 7 Bibliografia 8 Recursos na Internet 9 Conceitos 2 Gustavo H. C. Oliveira Introdução 3/32

4 Denominações Algumas denominações: Teoria de Sistemas Lineares de Controle; Sistemas de Controle; Sistemas de Controle em Malha Fechada; Controle e Servomecanismos (Servo Control ou Servomechanism); Controle Realimentado (Feedback Control); Controle Automático (Automatic Control) etc Gustavo H. C. Oliveira Introdução 4/32

5 Denominações É uma área do conhecimento nas engenharias; Controle verbo transitivo; controla-se algo Engenharia Elétrica; Engenharia Mecânica; Engenharia Automotiva; Engenharia Química; Engenharia de Controle e Automação; Engenharia Mecatrônica etc. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 5/32

6 O Problema Problema básico: Sistemas de Controle em Malha Fechada O objetivo é compreender este sistema e projetar um controlador de tal forma que a variável controlada siga o sinal de referência. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 6/32

7 O problema, exemplo Controle automático de velocidade em automóveis Gustavo H. C. Oliveira Introdução 7/32

8 Um pouco de História O problema já era conhecido e tratado pelos Grecos (preservado pela cultura Islâmica); Séc. 18: Relato de controle de temperatura em incubadoras; Baseado em Boulton, J. Watt ( ) idealizou um controle de velocidade para máquinas rotativas a vapor: Boulton and Watt Governor, 1789 Gustavo H. C. Oliveira Introdução 8/32

9 Um pouco de História J. P. Maxwell ( ) escreveu On Governors em 1868 : Associação entre sistemas dinâmicos, equações diferencias, suas raízes e estabilidade; E. J. Routh ( ) e A. Hurwitz ( ) criaram as bases de um critério para estabilidade de sistemas dinâmicos; O objetivo na época era manter o sistema estável e a variável controlada (pressão, temperatura, nível de ĺıquidos, velocidade) em um valor determinado (problema de regulação) Gustavo H. C. Oliveira Introdução 9/32

10 Um pouco de História Final do séc. 19: Estudos sobre controle de trajetória, motivado por desafios na área de controle de direção de navios (aumento no tamanho dos navios de guerra); 1866: 1 a Patente de controle em malha fechada para direção de navios (J. M. Gray); O termo servomotor ou servomecanismos apareceu nesta época com o francês J. J. Farcot. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 10/32

11 Um pouco de História Início do séc. 20: Percebeu-se um aumento na venda de controladores para diversas aplicações: tensão, corrente, frequência, velocidade de motores elétricos, direção de navios e aviões, temperatura, pressão, fluxo na indústria de processos, etc. 1922: N. Minorsky ( ) apresentou os princípios do controlador PID (Proporcional Integral e Derivativo), motivado por desafios na área de direção de navios; Falta de entendimento teórico do problema e falta de métodos de análise e projeto de controladores. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 11/32

12 Um pouco de História Segunda metade do séc. 20: Intensificaram-se os estudos para superar as lacunas anteriores; 1942: J. G. Ziegler and N. B. Nichols desenvolveram regras para a seleção dos parâmetros do PID Anos 50 e 60: Denominação Controle Moderno para métodos baseados em Espaço de Estados, Teoria da Estimação, Controle Ótimo, Controle Não Linear; Anos 70 e 80: Controle Digital, Controle Adaptativo e Filtragem; Anos 1980: Controle Robusto e H ; dentre outras propostas e a história continua... Gustavo H. C. Oliveira Introdução 12/32

13 Motivação Técnica: Existência de critérios ou padrões rígidos de desempenho para variáveis de diversos processos, sistemas ou máquinas. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 13/32

14 Motivação Técnica: Exemplo: controle de frequência em usinas hidrelétricas. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 14/32

15 Motivação Controle em malha fechada da frequência: Gustavo H. C. Oliveira Introdução 15/32

16 Motivação Procedimentos de Rede da ONS: Gustavo H. C. Oliveira Introdução 16/32

17 Motivação Financeira: Junto com a motivação técnica, normalmente tem-se a motivação financeira. Controle de velocidade da bobina para aplicação de filme de proteção em chapas de aço. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 17/32

18 Motivação Gustavo H. C. Oliveira Introdução 18/32

19 Motivação Indústria Petroquímica: Forno Gustavo H. C. Oliveira Introdução 19/32

20 Motivação Indústria Petroquímica: Coluna de destilação Gustavo H. C. Oliveira Introdução 20/32

21 Motivação Controle de Poluição: Filtro Eletroĺıtico Gustavo H. C. Oliveira Introdução 21/32

22 Motivação Industria do Aço (Siderurgia): Pote Gustavo H. C. Oliveira Introdução 22/32

23 Motivação Industria do Aço (Siderurgia): Sinais de temperatura e potência Gustavo H. C. Oliveira Introdução 23/32

24 Pré-requisitos Alguns pré-requisitos deste curso são: Equações diferenciais ordinárias, manipulação de equações diferenciais, solução de equações diferenciais; Funções, sinais e sistemas; Transformada de Laplace, propriedades e sua aplicação na solução de equações diferenciais; Noções de Transformada de Fourier; Resposta em frequência e diagramas de Bode; Circuitos elétricos básicos; Noções da linguagem Matlab. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 24/32

25 Conceitos relacionados com o curso Análise de sistemas dinâmicos; Estabilidade; Sistemas em malha fechada (MF); Desempenho MF em regimes transitórios e permanente; PID; Lugar das raízes e projeto Avanço e Atraso; Resposta em frequencia e sistemas de controle; Modelos em espaço de estados. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 25/32

26 Bibliografia A literatura introdutória sobre Sistemas de Controle está bastante madura e é muito extensa. No nosso contexto, vamos adotar como bibliografia básica: (Franklin et al., 2013) G. F. Franklin; J. D. Powell; A. Emami-Naeini. Sistemas de Controle para Engenharia. 6a ed.; Editora Bookman, (Castrucci et al, 2011) P. L. Castrucci, A. Bittar e R. M. Sales Controle Automático, Editora LTC, (Ogata, 2010) K. Ogata. Engenharia de Controle Moderno. Pearson Brasil, 5a edição, Gustavo H. C. Oliveira Introdução 26/32

27 Bibliografia Mas, pode-se ver também: J. J. DiStefano III, A. R. Stubberud and I. J. Williams. Feedback and Control Systems, 2nd ed., McGraw Hill, R. C. Dorf e R. H. Bishop. Sistemas de Controle Modernos. 8 a ed., LTC Editora, N. S. Nise. Engenharia de Sistemas de Controle. 3 a. ed., LTC Editora, e muito, mas muito, mais. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 27/32

28 Bibliografia Especificamente sobre PID, tem-se: K. Astrom, K. and T. Hagglund. Advanced PID Control. Ed. ISA - The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2005 Sobre regras para sintonia do PID, tem-se: A. O Dwyer. Handbook of Pi and PID Controller Tuning Rules. 2a. ed., Imperial College Press. Gustavo H. C. Oliveira Introdução 28/32

29 Recursos na Internet Gustavo H. C. Oliveira Introdução 29/32

30 O que não será abordado Por exemplo Gustavo H. C. Oliveira Introdução 30/32

31 O que não será abordado ou Gustavo H. C. Oliveira Introdução 31/32

32 O que não será abordado Controle, verbo transitivo (aplicações específicas); Aspectos de instrumentação (sensores); Atuadores, seus limites e propriedades; Sistemas incertos; Sistemas não-lineares e/ou variantes no tempo; Controle por computador (digital); Controle avançado; Equipamentos (controladores), tecnologias; Comunicação e rede etc Gustavo H. C. Oliveira Introdução 32/32

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