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Controle de Sistemas Introdução aos Sistemas de Controle
Renato Dourado Maia
Universidade Estadual de Montes Claros
Engenharia de Sistemas
Controle de Sistemas – Professor Renato Dourado Maia
Uma Pergunta
O que é controle?
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Controle de Sistemas – Professor Renato Dourado Maia
A Resposta
Vamos entender o que controle por meio da análise de uma coisa que todos nós fazemos (tomara!) em todos os dias (frios): tomar um
banho quente.
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Banho Quente
Como fazemos para que a água fique numa temperatura agradável?
Controlador?
Atuador?
Sensor? Censurado!!!
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Banho Quente O que se deseja é manter a temperatura da água
com o valor mais próximo possível de um valor desejado, que é normalmente denominado set-point.
Quando fazemos isso para o banho quente, esta-mos realizando um controle manual em malha fe-chada! Como seria um controle manual em malha aberta?
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Controle Manual em Malha Fechada
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Malha de Controle Fechada
ONDE ESTÁ O CONTROLE ?
ONDE ESTÁ O CONTROLADOR?
ONDE ESTÁ A MEDIÇÃO?
PROCESSO
COMPARAÇÃO
CORREÇÃO
CONTROLE
ENTRADA DE ÁGUA FRIA
SAIDA DE ÁGUA QUENTE
ENTRADA
DE VAPOR
VÁLVULA DE CONTROLE
MEDIÇÃO
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Controle Automático
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Ação de Controle Manual
TEMPO
DESVIO
0
+
-
VALOR OBTIDO
VALOR DESEJADO (SET-POINT)
ERRO
O controle manual não permite a eliminação do erro, resultando em uma amplitude de variação excessiva do valor
da variável que se deseja controlar.
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SET POINT
SET POINT
SET POINT
DESVIO VARIÁVEL
DESVIO
DESVIO
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Ação de Controle Automática
TEMPO
DESVIO
0
+
-
VALOR OBTIDO
VALOR DESEJADO (SET-POINT)
ERRO
O controle automático proporciona uma redução no erro, com um tempo de ação e uma precisão impossíveis de serem alcançados
pelo controle manual.
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Processo Um processo é um conjunto de operações e fun-
ções que dependem de variáveis e pode ser:
Contínuos: chuveiro de água quente.
Batelada: assar um bolo.
As variáveis, tais como temperatura, pressão, va-zão, nível, precisam de medição e controle. INSTRUMENTAÇÃO!!!
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Instrumentação A utilização de instrumentos permite:
Incrementar e controlar a qualidade do produto.
Aumentar a produção e o rendimento.
Obter e fornecer dados sobre:
Matéria prima. Produção. Economia dos processos.
Relação direta com AUTOMAÇÃO!
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Por Que Controle? As plantas industriais devem ser operadas em
circunstâncias específicas e conhecidas, de modo a garantir três requisitos básicos:
Segurança.
Continuidade Operacional: evitar eventuais paradas na produção.
Economia: as plantas industriais são voltadas para a ob-tenção de lucro.
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Por Que Controle? Segurança – Explosão em Caldeira
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Por Que Controle? O que acontece quando alguém dá descarga
quando estamos num banho quente?
A descarga representa uma perturbação...
Sistemas em malha fechada rejeitam perturba-ção, enquanto sistemas em malha aberta não...
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Sistema de Controle O que é um Sistema de Controle?
É uma interconexão de componentes, formando uma configuração que produzirá uma resposta desejada do sistema.
Entrada; estímulo
Resposta desejada
Sistema de controle
Saída; resposta
Resposta real
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Benefício Principal O principal benefício de um sistema de controle é
a compensação de perturbações.
Vamos entender a questão da perturbação por meio de exemplos...
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Outros Benefícios
A ENGENHARIA DE CONTROLE AUTOMAÇÃO PERMITE AO HOMEM TRABALHAR
COMO SER PENSANTE NO PROCESSO:
Evita esforços manuais e/ou repetitivos.
Permite que o operador assuma o papel de supervisor.
Afasta o homem de lugares e operações perigosas.
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Homem + Máquina Para implantar e perpetuar as melhores práticas,
devemos deixar que as máquinas façam aquilo que sabem fazer: realizar uma rotina repetitiva-mente.
O operador deve realizar aquilo que é especiali-dade do ser humano: intervenções sob demanda, análise e tomada de decisão.
= CONTROLE E AUTOMAÇÃO
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Homem x Máquina A Engenharia de Controle e Automação substitui
o homem apenas em atividades próprias da má-quina.
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Uma Malha/Operador
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Algumas Malhas/Operador
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Várias Malhas/Operador
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Salas de Controle
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Dezenas de Malhas/Operador
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Centenas de Malhas/Operador
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Panorama Atual
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Panorama Atual
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Centro de Comando
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O Engenheiro de Sistemas de Controle A Engenharia de Controle e Automação é um
campo excitante para a aplicação dos talentos de en-genharia, porque ela percorre inúmeras áreas de conhecimento, e inúmeras funções nessas á-reas.
O Engenheiro de Controle e Automação pode ser en-contrado no nível mais alto de grandes pro-jetos, envolvido na fase conceitual de determinar ou implementar os requisitos globais do sistema.
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Introdução aos Sistemas de Controle Sistema de controle a malha aberta (sem retroação):
Sistema de controle a malha fechada (com retroação):
Transdutor de Entrada
Entrada ou Referência
Junção Somadora
+ +
Processo ou Planta
+ +
Junção Somadora
Controlador
Perturbação 1 Perturbação 2
Saída ou
Variável Controlada
Transdutor de Entrada
Entrada ou Referência
Junção Somadora
+ +
Processo ou Planta
+ +
Junção Somadora
Perturbação 1 Perturbação 2
Saída ou
Variável Controlada
+
-
Controlador
Transdutor de Saída
ou Sensor
Erro ou Sinal Atuante
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Alguns Conceitos Variável controlada é a grandeza ou a condição
que é medida e controlada; variável manipulada é a grandeza ou condição modificada pelo contro-lador, de modo a afetar a variável controlada.
Uma planta pode ser parte de um equipamento ou apenas um conjunto de componentes de um equipamento que funcione de maneira integrada, com o objetivo de realizar determinada operação.
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Alguns Conceitos Um sistema é a combinação de componentes que
agem em conjunto para atingir determinado ob-jetivo (sistemas físicos, biológicos, econômicos).
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Analógico x Digital
Analógico
Digital
√ Potenciômetro
Entrada do ângulo de
azimute desejado
Saída de ângulo de azimute
Antena
Cabo
Saída de ângulo de azimute
Antena
Computador
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Detalhamento do Caso Analógico
Potenciômetro
Ângulo de azimute de
entrada desejado
Potenciômetro
Ângulo de azimute de
entrada desejado
Antena
Antena
Potenciômetro Motor
Ângulo de azimute de
saída
Ângulo
de azimute de saída
Amplificador diferencial e amplificador de potência
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Detalhamento do Caso Analógico Potenciômetro
Amplificadores
Potenciômetro
Potenciômetro
Potenciômetro
Motor
Resistência da armadura
Armadura
Campo constante
Engrenagem
Engrenagem
Engrenagem Inércia
Amortecimento viscoso
Amplificador diferencial
e de potência
K
Transdutor de entrada
Sensor (transdutor de saída)
Entrada angular
Tensão proporcional
à entrada
Junção de adição
Erro ou
Sinal atuante
Controlador
Planta ou
Processo Saída
angular
Tensão proporcional
à saída
Amplific. de sinal
e de potência
Motor, carga
e engre- nagens
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Uma Frase para Motivar... “A teoria, a prática e as aplicações de controle
automático constituem um ramo da engenharia muito amplo, excitante e extremamente útil”.
Alguém não percebe que a motivação para o es-tudo de sistemas de controle modernos é imen-sa?
Hã? Hã? Hã?
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Projeto de Sistemas de Controle Algumas palavras para lembrarmos:
Perturbação Custo-benefício
Segurança
Produtividade
Desempenho Robustez
Otimização
ESTUDO
DEDICAÇÃO
EQUIPE
TRABALHO
Etc... Etc... Etc... RESPEITO
EDUCAÇÃO
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Atuação do Engenheiro de Controle Pode-se constatar que a tarefa de um engenheiro
de controle é também prestar assistência de na-tureza iterativa, particularmente a partir de uma visão sistêmica de desempenho.
Um bom engenheiro de controle não é apenas a-quele capaz de realizar grandes projetos de com-trole, mas principalmente aquele capaz de indicar de forma direta e convincente quando os objeti-vos de desempenho não podem ser atingidos ou tornados mais rígidos.
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Atuação do Engenheiro de Controle Em problemas práticos, alguns aspectos devem
ser considerados:
Existência de incertezas. Plantas de fase não-mínima. Existência de dinâmicas não-modeladas, principalmente
em altas frequências, que são fontes de incertezas. Ruído nos sensores e restrições no nível do sinal dos a-
tuadores limitam o alcance dos benefícios da realimen-tação.
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Desenvolvimento da Teoria de Controle Controle Clássico:
1930-1960 Controle Moderno:
1960-1980 Controle Robusto: 1980-nossos dias
Análise
Diagramas de Bode. Critério de Nyquist.
Critério de Routh-Hurwitz. Lugar das Raízes.
Margens de Ganho e Fase.
Espaço de Estados. Controlabilidade. Observabilidade.
Processos Estocásticos.
SVD. Análise μ.
Fatorização Espectral. Inequações Matriciais.
Síntese Controladores PID. Compensação Lead-Lag.
Filtro de Kalman. PLQ.
PLQG.
Síntese H2/H∞. Síntese μ.
Paradigma Domínio da Frequência. SISO.
Domínio do Tempo. MIMO.
Domínio da Frequência + Espaço de Estados.
O Contexto de nossa brincadeira!!!
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