Introdução à Automação de Sistemas e à

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1 Introdução à Automação de Sistemas e à Instrumentação Industrial Conceitos Básicos de Sistemas Dinâmicos e Controle Instrumentação para Controle Controle Discreto Tecnologias Utilizadas na Automação Exemplos 1/17

2 Conceitos Básicos de Sistemas Dinâmicos e Controle O Conceito de Sistema [Figura] Uma agregação ou montagem de coisas de tal forma combinada pela natureza ou pelo homem que forma um todo integral ou complexo. [Enciclopédia Americana] Um grupo de coisas interatuantes e interdependentes que formam um todo unficado. [Dicionário Webster's] Uma combinação de componentes que agem conjuntamente para completar uma função não possível para quaisquer das partes individuais. [Dicionário Padrão da IEEE de Termos Elétricos e Eletrônicos] 2/17

3 O processo de Modelagem de Entrada e Saída [Figura] Modelo de um Sistema Um dispositivo que simplesmente duplica o comportamento do sistema propriamente dito. Processo de Modelagem Começa por definir um conjunto de variáveis mensuráveis associadas ao sistema. Definidas por funções temporais. O tempo é uma variável independente Variáveis de Entrada Subcojunto de variáveis que pode-se fazer variar ao longo do tempo. Variável de entrada: u i (t), 1 i m Entrada do sistema: u(t) = [u 1 (t)... u m (t)] T Variáveis de Saída Subconjunto de variáveis que podem-se medir diretamente enquanto se variam as variáveis de entrada. Variável de saída: y j (t), 1 j n Saída do sistema: y(t) = [y 1 (t)... y n (t)] T Modelagem (matemática) Definição de funções que relacionem entradas e 3/17

4 saídas do sistema. [Figura] Conceitos relacionados: Sistemas estáticos e dinâmicos Sistemas variantes no tempo e invariantes no tempo 4/17

5 O Conceito de Estado [Figura] Estado de um sistema O estado de um sistema no tempo t 0 é a informação requerida em t 0 tal que a saída y(t), para todo t t 0, é unicamente determinada a partir desta informação e da entrada u(t), para t t 0. Variáveis de Estado Subconjunto das variáveis associadas ao sistema que definem seu estado. Variável de Estado: x k (t), 1 k p Estado do Sistema: x(t) = [x 1 (t)... x p (t)] T Espaço de estados do sistema Conjunto de valores que o estado do sistema pode atingir. O Processo de Modelagem por Espaço de Estados Equações de Estado Equações requeridas para especificar o estado do sistema x(t) para t t 0, dados x(t 0 ) e a função u(t) para t t 0. Equações de Saída [Figura] Conceitos Relacionados 5/17

6 Sistemas Lineares e Não Lineares Sistemas lineares e invariantes no tempo Sistemas a tempo contínuo e sistemas a tempo discreto (sistemas amostrados/discretizados) Sistemas Determinstas e Aleatórios 6/17

7 O Conceito de Controle [Figura] O sistema destina-se a cumprir a uma determinada função Controlador Aplica uma entrada ao sistema para que este cumpra a sua função. Sinal de controle Saída do controlador, que é aplicada como entrada ao sistema. Sinal de referência Entrada do controlador, que diz respeito à alguma saída do sistema. Sistema em malha aberta. 7/17

8 O Conceito de Realimentação [Figura] Realimentação Uso de qualquer informação disponível do comportamento do sistema para continuamente ajustar a entrada de controle. Sistema em malha fechada. 8/17

9 Instrumentação para Controle [Figura] Necessária para implementação do controlador de um sistema. Sensores Instrumentos primários Transmissores Registradores Instrumentos Primários Medida Posição Velocidade Presença/Proximidade Carga/Força Pressão Instrumentos Potenciômetro Encoder LVDT Tacômetro Chave-limite (chave de fim de curso) Sensor ótico Sensor magnético Sensor capacitivo Célula de carga (strain gauge) Sensor piezoelétrico Tubo de Burdon Fole/Diafragma Sensor piezoelétrico 9/17

10 Medida Temperatura Vazão Nível (líquido, sólido) Instrumentos Sensor bimetálico Termopar RTD Termistor Pirômetro de radiação Placa de orifício Tubo Venturi Tubo Pitot Turbina Sensor magnético Mecanismo de bóia Fotosensor Haste resistiva Dispositivo de pesagem Atuadores Motores com transmissão Válvulas Bombas Aquecedores Relés, disjuntores e contatoras Diferentes princípios de funcionamento Pneumático s Hidráulicos 10/17

11 Elétricos Simbologia padronizada para instrumentação Norma ISA e ABNT Diagramas P&I 11/17

12 Controle Discreto Presente em quase todos os ambientes onde há automação Sistemas de Estado Contínuo e Sistemas a Estado Discreto X = R ou X = Q versus X = {parado, trabalhando, quebrado} Sistemas Dirigidos pelo Tempo e Sistemas Dirigidos a Eventos x(t) = A.e b.t versus Se caixa detectada à esquerda, parar a esteira da esquerda, ligar válvula do silo e ligar esteira central para a direita. Sistemas Dinâmicos com Variáveis Contínuas As variáveis são funções contínuas do tempo A evolução do sistema é puramente regida pelo tempo Modelos matemáticos são equações diferenciais ou a diferenças Controle clássico (em tempo contínuo ou tempo discreto) Sistemas a Eventos Discretos Variáveis assumem valores discretos Evolução dirigida a eventos 12/17

13 Modelos oriundos da ciência da computação Linguagens formais Autômatos Redes de Petri Lógica Temporal Lógica Max-Plus Controle discreto 13/17

14 Tecnologias Utilizadas na Automação Controlador Lógico Programável (CLP) Cavalo de Batalha Sistemas Supervisórios Redes Industriais 14/17

15 Exemplo - Trocador de Calor 15/17

16 Exemplo - Alimentador de Forno de Padaria 16/17

17 Exemplo - Sistema de Controle de Nível 17/17