Tópicos de Controle Alexandre Brincalepe Campo brincalepe@gmail.com www.cefetsp.br/edu/brinca/controle.html
Conteúdo Conceitos sobre a teoria de controle clássico e moderno. Estudo sobre sistemas de 1ª, de 2ª Ordem e de ordens superiores. Estudo sobre a estabilidade de sistemas de controle lineares invariantes no tempo. Estudo sobre sistema não-lineares e sobre linearização de sistemas. Revisão da técnica de controle clássico, utilizando ferramentas computacionais de apoio para o estudo e o projeto dos controladores baseados no Lugar Geométrico das Raízes. A seguir são apresentadas técnicas de projeto de controladores por imposição de pólos utilizando a representação de sistemas no espaço de estados. Na parte final da disciplina são apresentadas técnicas de controle digital aplicadas a diversos sistemas dinâmicos.
Plano Parte 1 1 Introdução aos sistemas de controle em malha fechada. 2 Definição das especificações de projeto de sistemas de controle. Procedimento de projeto. Análise de sistemas LTI de 1ª. e de 2ª. ordem. 3 Não-linearidades em sistemas de controle. Estabilidade de sistemas em malha fechada. 4 Análise de sistemas de controle através de técnicas de Controle Clássico: o Método do Lugar Geométrico das Raízes. 5 - Projeto de sistemas de controle através de técnicas de Controle Clássico: o Método do Lugar Geométrico das Raízes. 6 Tipos de sistemas de controle. Controle em Cascata e Controle Feedforward.
Plano Parte 2 7- Representação de sistemas dinâmicos através da utilização de variáveis no espaço de estados. 8 Projeto de sistemas de controle no espaço de estados por imposição de pólos. 9 Análise de sistemas de controle em tempo discreto. 10 Análise e projeto de Controladores Digitais.
Avaliação P1 - Prova 1 (22 de setembro) P2 - Prova 2 (24 de novembro) ML: Média das Listas de Exercícios Média = 0,4P1 + 0,4P2 + 0,2 ML
Bibliografia OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno, Ed. Pearson,São Paulo, SP, Brasil, 2003. CASTRUCCI, P. e SALES, R.M. Controle Digital, Ed. Edgard Blücher, 1990. NISE,N.S. Engenharia de Sistemas de Controle, Ed. LTC, 2002. Åstron, K. Murray, R.M. Feedback Systems for Scientists and Engineers, Princeton University Press, 2008. Powell J.;Franklin, G. Emami-Naeini. Feedback Control of Dynamic Systems. 4th Edition.,Pearson Ed. 2002.
Descrição simplificada de um sistema de controle (Åström,2008) -Sistema dinâmico Sistema que tem seu comportamento variável no tempo, frequentemente em resposta a estímulos externos. -Sistema realimentado Dois ou mais sistemas dinâmicos são interconectados de modo que um sistema influencia o outro e suas dinâmicas são fortemente acopladas. Sinal de Entrada; Estímulo; Resposta desejada; Set-Point. Sistema Sinal de Saída; Resposta; Resposta real
Diagrama de blocos dos sistemas de controle: a. Sistema em 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 2 + + Processo Junção Somadora Junção Somadora ou Planta + + Processo ou Planta + + Junção Somadora Perturbação 1 Perturbação 2 + + Junção Somadora Saída ou Variável Controlada Saída ou Variável Controlada (b) Transdutor de Saída ou Sensor
Controle em Malha Fechada
Controle Automático Regulador de Boulton / Watt (1788)
Regulador (Flyball Governor)
Sistema em Malha Fechada
Sistema de Controle Digital
Malha de Controle
Exemplos de Aplicações (www.youtube.com/brincalepe) Controle aplicado à Bioengenharia: Infusão de Medicamentos em Malha Fechada ( Closed Loop Drug Delivery ) Controle de coagulação sanguínea Biofeedback Controle de Levitação Eletromagnética Sistemas didáticos
Controle de Infusão de Medicamentos em Malha Fechada Projeto de um sistema automático que execute a infusão de medicamentos em malha fechada. O sistema automático deverá controlar o comportamento de uma ou mais variáveis medidas no paciente. Exemplos: Pressão média arterial, tempo de coagulação do sangue, estado anestésico e etc.
Descrição do Problema Exemplo: Controle da Pressão Média Arterial
Objetivos Estudar a dinâmica relacionada à infusão de medicamentos e sua influência em variáveis que se deseja controlar. Identificar técnicas utilizadas no controle automático de infusão de medicamentos. Projetar controladores automáticos que possam substituir de forma parcial ou total a pessoa responsável pela infusão de medicamentos.
Controle da Pressão Média Arterial Características do sistema controlado: Não-linear Sistema variável com o tempo Sistema com atraso de tempo Sistema controlado por operador humano (enfermeira)
Solução Implementada - Simulação Conjuntos difusos descritos na bibliografia foram implementados em MATLAB para reprodução dos resultados. Simulações executadas em malha fechada utilizando um modelo descrito na bibliografia sobre o tema.
Controle do Efeito Anti-coagulante Controle de perfusão de coagulante (protamina) e de anti-coagulante (heparina) para evitar a formação de trombos durante procedimento cirúrgico com circulação extra-corpórea.
Controle de Levitação Eletromagnética
Controle de Levitação
Controle de Levitação
Controle de Levitação
Controle de Levitação
Controle de Levitação
Sistemas Didáticos Bola - Barra
Sistemas Didáticos Bola - Barra
Sistemas Didáticos Bola - Barra
Velocidade e Posição de Motor CC
Motor CC Modelagem do sistema & θ K = V ( Js + b)( Ls + R) + K 2
Servomecanismo Sincronismo Bobinadeira de Papel
Sistemas Didáticos Pêndulo Invertido
Pêndulo Invertido
Robô Tecladista
Robô Hexápode www.micromagicsystems.com
Robô Hexápode
Robô Hexápode
Sistemas Didáticos Manipulador Bidimensional
Exemplos - LabVIEW Manipulador Bidimensional
Aeroestabilizador
Suspensão ativa
Veículo Autônomo - AGV
Sistema Ventilador-Bola
Exemplos de Tecnologias e Áreas Envolvidas Controle de Processos Instrumentação Industrial Informática Industrial
Controle de Processos Indústria Química Alimentícia Farmacêutica Variáveis Envolvidas Pressão Vazão Nível Temperatura
Exemplo
Produção de Destilado de Cana
Planta Produção de Biocombustível
Rede Industrial
Links Interessantes Flyball Governor: http://www.youtube.com/watch?v=egulmx3o30w Ball-Plate: http://www.youtube.com/watch?v=fby_e4yvqhq&feature=channel_page Inverted-pendulum: A - http://www.youtube.com/watch?v=ih4ez1gcrk0&feature=channel_page B - http://www.youtube.com/watch?v=jgqa-acyow4&feature=channel_page Big-dog: http://www.youtube.com/watch?v=w1czbcnx1ww&feature=channel_page