1. SISTEMAS DE CONTROLE: CONCEITOS. Prof. JOSÉ RODRIGO DE OLIVEIRA

1. SISTEMAS DE CONTROLE: CONCEITOS Prof. JOSÉ RODRIGO DE OLIVEIRA

1. INTRODUÇÃO Sistemas de Controle: surgiu da necessidade de entendimento e controle de materiais e forças da natureza para o benefício da humanidade; Entendimento e controle dos sistemas de seu ambiente; Produção de produtos economicamente úteis para a sociedade; Controle eficiente requer que os sistemas sejam entendidos e modelados; Oportunidade de controlar máquinas, processos industriais, processos econômicos para o benefício da sociedade.

1. INTRODUÇÃO Sistemas de Controle: é baseada nos princípios da teoria da retroação (realimentação) e na análise de sistemas lineares; É aplicável aos seguintes ramos da engenharia: Mecânica: Processos industriais: usinagem, laminação, fundição, solda, prensagem, vapor, gás. Automóveis: suspensão, motor, câmbio, etc; Automação e robótica: Automação industrial de manufatura, processos, comercial e logística, robôs industriais, robótica móvel e autônoma e inteligência artificial; Elétrica: Linhas de transmissão, osciladores eletrônicos, motores elétricos, transmissão de dados, telefonia e engenharia biomédica;

1. INTRODUÇÃO Civil: Conforto térmico, segurança, reservatórios, vibrações em estruturas; Química: controle de processos químicos, vazão, temperatura, pressão, dutos, válvulas e reatores químicos; Naval e oceânica: Navios, plataformas e sondas; Aeronáutica e aeroespacial: Aviões, piloto automático, VANT (veículos aéreos não tripulados); Engenharia do Petróleo: Todas acima; Engenharia Militar: Todas acima;

2. DEFINIÇÕES Sistema: é uma combinação de componentes que agem em conjunto no desempenho de uma dada função não obtenível com qualquer das partes isoladamente. Sistema Contínuo: todos os sinais, entendendo-se por sinais a designação genérica de entradas e saídas, são funções reais da variável t (tempo). Sistema Discreto: os sinais são definidos apenas em instantes determinados de tempo. Sistema Monovariável: apresenta apenas uma variável de entrada e uma variável de saída. (SISO Single Input Single Output).

2. DEFINIÇÕES Sistema Multivariável: apresenta dois ou mais sinais de entrada e/ou dois ou mais sinais de saída. (MIMO Multiple Input Multiple Output). Sistema Determinístico: Se as mesmas condições forem mantidas, a repetição da entrada causará sempre a mesma saída. Exemplo: Circuito Elétrico. Sistema Estocástico: para uma dada entrada, não podemos estar certos da saída, ou seja, a saída deve ser expressa em termos probabilísticos.

2. DEFINIÇÕES Sistema Instantâneo: o valor da saída em um dado instante do tempo depende unicamente da entrada nesse mesmo instante. Ou seja, o sistema não tem memória. Exemplo: Circuito elétrico sem elementos de armazenamento de energia. Sistema Dinâmico: o valor da saída em um determinado instante de tempo depende de valores passados e presentes da entrada. São descritos por equações diferenciais. Exemplo: Circuito elétrico com elementos de armazenamento de energia

2. DEFINIÇÕES Sistema Relaxado: O sinal de saída depende unicamente do sinal de entrada. Para tanto, é necessário que o sistema não contenha energia armazenada, ou seja, todas as condições iniciais devem ser nulas. Sistema Invariante no Tempo: os parâmetros dos componentes do sistema não variam com o tempo. São descritos por equações diferenciais com coeficientes constantes. Exemplo: conjunto mola-balde de areia

2. DEFINIÇÕES Sistema Variante no Tempo: os parâmetros dos componentes do sistema variam com o tempo. São descritos por equações diferenciais com coeficientes variáveis. Exemplo: conjunto mola-balde de areia furado

2. DEFINIÇÕES Sistema Linear: um sistema relaxado é linear se satisfizer o princípio da superposição. Princípio da Superposição: Homogeneidade: denota uma relação de proporcionalidade entre entrada e saída: Ex: Se a entrada u(t) = u 1 (t) gera a saída y(t) = y 1 (t), se a entrada u(t) = u 2 (t) gera a saída y(t) = y 2 (t) e se aplicarmos no sistema uma combinação linear das entradas u 1 (t) e u 2 (t), ou seja, u(t) = αu 1 (t) + βu 2 (t) a saída y(t) será a mesma combinação linear das saídas y 1 (t) e y 2 (t), ou seja, y(t) = αy 1 (t) + βy 2 (t).

2. DEFINIÇÕES Aditividade: para dois sinais quaisquer u 1 e u 2, a resposta à soma desses sinais é a soma das respostas a cada função particular: H(u 1 + u 2 ) = H(u 1 ) + H(u 2 ) Sistema Não-Linear: é aquele para o qual não se verifica o princípio da superposição.

2. DEFINIÇÕES Exemplo 1: engrenagens com folga entre dentes Exemplo 2: circuito com relé

2. DEFINIÇÕES Sistema: é uma combinação de componentes que agem em conjunto no desempenho de uma dada função não obtenível com qualquer das partes isoladamente; Controle: ato, efeito ou poder de regular, dirigir, comandar, etc; Sistema de controle: é uma interconexão de componentes configurados de tal forma que o sistema resultante forneça uma resposta desejada; Planta: é uma interconexão de componentes configurados de tal forma que o sistema resultante forneça uma resposta desejada. Quanto mais informações sobre a planta, melhor é o controle. Ex: reator químico, caldeira de aquecimento, espaçonave, navio, automóvel, etc.

2. DEFINIÇÕES Processo: toda operação a ser controlada. O processo é realizado por uma planta. Uma planta pode realizar vários processos. Ex: processos químicos, econômicos, biológicos, decolagem, pouso, etc; Variável controlada: é a grandeza ou condição que é medida e controlada. Geralmente é a grandeza de saída do sistema; Variável manipulada: é a grandeza ou condição variada pelo controlador de modo a afetar o valor da variável controlada; Valor de referência: é o valor desejado para a variável controlada;

2. DEFINIÇÕES Distúrbio: sinal que tende a afetar de modo adverso o valor da variável controlada. Pode ser: Interno: gerado pelo próprio sistema; Externo: gerado pelo ambiente. Retroação: operação que utiliza o sinal de saída para ajustar o sinal de entrada, com o objetivo de manter a saída no valor desejado; Sensor: dispositivo responsável pela medição da variável controlada; Atuador: dispositivo utilizado para alterar o valor da variável controlada do processo.

3. AÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE Mudança no ponto de operação (setpoint) da planta: Altura de voo de uma aeronave; Temperatura de um processo químico; Posição e altura de um satélite. Compensação de perturbações: Irregularidades na pista de um automóvel; Manter a trajetória de uma aeronave sujeita a ventos; Alteração na matéria prima de um processo industrial.

4. CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE Os sistemas de controle são classificados em duas categorias gerais: Sistema de controle a malha aberta; Sistema de controle a malha fechada. A distinção é determinada pela ação de controle, que é a quantidade responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.

4.1 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA ABERTA É um sistema de controle que utiliza um dispositivo para controlar o processo, sem utilizar retroação. Assim, a saída não tem efeito sobre o sinal aplicado ao processo.

4.1 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA ABERTA Exemplo: Controle de velocidade de mesa rotativa.

4.1 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA ABERTA Outros exemplos: Eletrodomésticos com várias velocidades; Máquina de lavar roupa pré-programada; Aparelho DVD pré-programado; Sinais de transito; Forno de micro-ondas; Dispositivo de infusão com equipo com controle de fluxo manual.

4.1 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA ABERTA Vantagens: 1. Baixo custo; 2. Operação simples.

4.1 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA ABERTA

4.2 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA É um sistema de controle que utiliza uma medida da saída e a retroação desse sinal para compará-lo com a saída desejada. O sinal resultante dessa comparação é utilizado para controlar o processo.

4.2 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA Exemplo: Controle de velocidade de mesa rotativa.

4.2 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA Exemplo: Sistema de controle de direção do automóvel.

4.2 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA Exemplo: Sistema para regular o nível de líquido.

4.2 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA Outros exemplos: Gerador a caldeira; VANT; Robôs industriais; Equipamentos de usinagem (tornos, fresadoras CNC); Sistemas de leitura de discos rígidos; Bombas de infusão.

4.2 SISTEMA DE CONTROLE A MALHA FECHADA

4.3 SISTEMA DE CONTROLE MULTIVARIÁVEL É um sistema de controle com mais de uma variável de entrada e/ou saída. À medida que os sistemas se tornam mais complexos, o inter-relacionamento de muitas variáveis controladas precisa ser considerado no esquema de controle.

4.3 SISTEMA DE CONTROLE MULTIVARIÁVEL

Malha Aberta 5. MALHA ABERTA X MALHA FECHADA Vantagens: Geralmente, não apresentam problemas de instabilidade; Sistemas mais simples. Desvantagens: Sensível à distúrbios e variação de parâmetros; Requer regulagem periódica.

Malha Fechada 5. MALHA ABERTA X MALHA FECHADA Vantagem: Resposta relativamente insensível a distúrbios e variações dos parâmetros; Desvantagens: Maior tendência a instabilidade; Sistema mais complexo. TÉCNICAS DE AUTOMAÇÃO 1

6. PROJETOS EM SISTEMAS DE BIOMÉDICOS Os sistemas de controle têm sido utilizados no campo biomédico para criar sistemas automáticos de aplicação de medicamentos implantados em pacientes; Estes podem ser usados para: Regular a pressão sanguinea; Quantidade de açucar no sangue; Batimentos cardíacos. Utilizam sistemas de controle a malha aberta, pois não temos a disponibilidade de sensores de glicose miniaturizados.

6.1 SISTEMA DE CONTROLE: APLICAÇÃO DE INSULINA Controle de insulina em um paciente diabético:

6.2 SISTEMA DE CONTROLE: BATIMENTO CARDÍACO Sistema de controle do batimento cardíaco:

6.3 SISTEMA DE CONTROLE: OUTROS PROJETOS Sistema de controle respiratório; Sistema de controle de adrenalina; Sistema de controle do braço humano; Sistema de controle do olho humano.