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CSD1 - Introdução
Controle de Sistemas Dinâmicos
Prof. Adolfo BauchspiessENE/UnB
(Material de aula Complementar, adaptado parcialmente de Nise – Eng. de Sist. de Controle)
Capítulo 1: Introdução
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Controle Automático
• Piloto automático aviões
• Robótica
• Processos industriais– Pressão
– Temperatura
– Umidade
• Processos de fabricação
~1900: 40% da mão de obra na agricultura. Atualmente: USA < 2%; Br ~10%
Revolução Verde+
Automação
Maior parte “desta” mão de obra
tem profissões que não existiam em 1900!
Profissões do Futuro? IOT, AI,…
Capítulo 1: Introdução
3
Objetivos• Desempenho ótimo
– Ex. redução de consumo de combustível• Maior produtividade
– Ex. repetibilidade• Alívio no
trabalho enfadonho– Ex. montagem
• Segurança– Ex. soldagem
• Saúde– Ex. pintura
Capítulo 1: Introdução
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Marcos Históricos
• 1788 James Watt– Controlador centrífugo de velocidade
– máquina a vapor
• 1932 Nyquist– Estabilidade em malha fechada a partir da resposta senoidal
• ~1940 Bode, Nyquist– Métodos de resposta em frequência
• 1948 Evans – Método do Lugar Geométricos das Raízes
Capítulo 1: Introdução
5Mundo a Vapor - Canela/RS - www.mundoavapor.com.br
Capítulo 1: Introdução
6Mundo a Vapor - Canela/RS - www.mundoavapor.com.br
Capítulo 1: Introdução
7Mundo a Vapor - Canela/RS - www.mundoavapor.com.br
Capítulo 1: Introdução
8Mundo a Vapor - Canela/RS - www.mundoavapor.com.br
Capítulo 1: Introdução
9Mundo a Vapor - Canela/RS - www.mundoavapor.com.br
Capítulo 1: Introdução
10Mundo a Vapor - Canela/RS - www.mundoavapor.com.br
Capítulo 1: Introdução
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Sistemas de Controle
Estudo de um Sistema Físico
– Modelamento Físico– Formulação Matemática– Análise Dinâmica
12)( 3 ++
+=
TssbssG
a
Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess
Capítulo 1: Introdução
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Alguns Sistemas de Controle:
Orientação de satélites e antenas
Telecomunicações
Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess
Capítulo 1: Introdução
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Robótica
Soldagem Laser & Selagem
Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess
Capítulo 1: Introdução
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Controle de Processos
SCADA
SupervisoryControl
andData
AcquisitionFonte: www.dust-inc.com
CDin2 - 14Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess
Capítulo 1: Introdução
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Automação Predial
Conforto TérmicoSegurança
Racionalização de Energia
Fonte: www.dust-inc.com
CDin2 - 15Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess
Capítulo 1: Introdução
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Projeto de Controladores
SistemaEq. Diferenciais
Função de Transf.Eq. De Estados
ModelamentoLeis Físicas
EstabilidadeRapidezPrecisãoRobustez
Resposta ao DegrauBode
Sistema Modelo Projeto Testes Produto
Síntese é umProcesso Iterativo !!
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Capítulo 1: Introdução
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Alguns Termos Técnicos (Jargão da Área)
G(s)D(s)Referência R(s) E(s) U(s) Y(s) Saída
Controlador Atuador ProcessoSistemaPlanta
K
H(s)
Sensor
Perturbações
RealimentaçãoServosistemas
Reguladores AutomáticosControle de Processos
(Controle em Malha Fechada)
Ruído
Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess
Capítulo 1: Introdução
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Técnicas de Controle
• Controle Clássico (CSD)– Resposta em freqüência, Lugar das Raízes
• Controle Moderno (CEE) – Variáveis de estado, sistemas multidimensionais,
computadores digitais
• Controle Ótimo (pós)• Controle Robusto (pós)• Controle Adaptativo (pós)• Controle Inteligente (ICIN/Inteligência Comp.)
– Redes Neurais Artificiais, Deep Learning, Fuzzy, Comp. Evolutiva
Capítulo 1: Introdução
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Classificação deSistemas de Controle
• Lineares x não-lineares– Faixa de operação linear →superposição
• Ivariantes x variantes no tempo– Foguete →redução da massa
• Contínuo x discreto (clock)
• Parâmetros concentrados x p. distribuídos – EDO x EDP
• Determinísticos x Estocásticos (ruído)
Capítulo 1: Introdução
20Copyright © 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright © 2000 John Wiley, Inc.
Fig. 1.1Descrição simplificada de um sistema de controle
Entrada; estímulo
Resposta desejada
Sistemade controle
Saída; resposta
Resposta real
Capítulo 1: Introdução
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Comando de entrada
And
ar
Respostatransitória
Resposta do elevador
Erro de estadoestacionário
Respostade estado
estacionário
Tempo
Fig. 1.5Entrada e saída do elevador
Capítulo 1: Introdução
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Transdutor deEntrada
Entrada ouReferência
JunçãoSomadora
++
Processoou Planta
++
JunçãoSomadora
Controlador
Perturbação 1 Perturbação 2
(a)
Saídaou
Variável Controlada
Transdutor deEntrada
Entrada ouReferência
JunçãoSomadora
++
Processoou Planta
++
JunçãoSomadora
Perturbação 1 Perturbação 2
(b)
Saídaou
Variável Controlada
+
-
Controlador
Transdutor de Saída
ou Sensor
Erroou Sinal Atuante
Fig. 1.6Diagrama de blocos dos sistemas de controle:a. sistema a malha aberta; b. sistema a malha fechada
Capítulo 1: Introdução
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Potenciômetro
Ângulo deazimute de
entrada desejado
Potenciômetro
Ângulo deazimute de
entrada desejado
Antena
Antena
PotenciômetroMotor
Ângulo deazimute de
saída
Ângulo de azimute
de saída
Amplificador diferencial eamplificador de potência
Fig. 1.9 Sistema de controle de posição da antena em azimute:a. conceito do sistema;b. leiaute detalhado; (a figura continua)
Capítulo 1: Introdução
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Potenciômetro
Amplificadores
Potenciômetro
Potenciômetro
Potenciômetro
Motor
Resistênciada armadura
Armadura
Campoconstante
Engrenagem
Engrenagem
EngrenagemInércia
Amortecimentoviscoso
Amplificadordiferencial
e depotênciaK
Transdutorde entrada
Sensor(transdutor de saída)
Entradaangular
Tensãoproporcional
àentrada
Junçãode adição
Erroou
Sinalatuante
Controlador
Plantaou
Processo
Saídaangular
Tensãoproporcional
à saída
Amplific.de sinal
e depotência
Motor,carga
e engre-nagens
Fig. 1.9(continuação)c. esquema; d. diagrama de blocos funcional
Capítulo 1: Introdução
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Saída comganho alto
Saída comganho baixo
EntradaRe
spos
ta
Tempo
Fig. 1.10Resposta de um sistema de controle de posição mostrando o efeito de valores grande e pequeno para o ganho do controlador na resposta de saída
Capítulo 1: Introdução
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Determine umsistema
físico e asespecificações
a partir dosrequisitos
Desenhe umdiagrama de
blocosfuncional
Transformeo sistemafísico em
um esquema
Use o esquemapara obter umdiagrama deblocos, um
diagrama defluxo de sinal,
ou uma represen-tação no espaço
de estados
Se houver blocosmúltiplos, reduza
o diagrama deblocos em umúnico blocoou sistema a
malha fechada
Analise,projete e
teste para verque requisitos
e especificaçõessão compatíveis
Análogico:Digital:
Capítulo 1 Capítulos 2, 3Capítulo 13
Capítulo 5Capítulo 13
Capítulos 4, 6-12Capítulo 13
Passo 1 Passo 2 Passo 3 Passo 4 Passo 5 Passo 6
Fig. 1.11 O procedimento de projeto de sistemas de controle
Capítulo 1: Introdução
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Tabela 1.1Formas de onda de teste usadas em sistemas decontrole
Impulso
Degrau
Rampa
Parábola
Senóide
Resposta transitóriaModelagem
Resposta transitóriaErro de estadoestacionário
sen
Erro de estadoestacionário
Erro de estadoestacionário
Resposta transitóriaModelagemErro de estado estacionário
Entrada Função Descrição Gráfico Uso