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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

2

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

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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

4

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

12

Alguns Sistemas de Controle:

Orientação de satélites e antenas

Telecomunicações

Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess

Capítulo 1: Introdução

13

Robótica

Soldagem Laser & Selagem

Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess

Capítulo 1: Introdução

14

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 !!

Complementos - Controle Dinâmico – ENE/UnB Prof. Adolfo Bauchspiess

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

21Copyright © 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright © 2000 John Wiley, Inc.

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

23Copyright © 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright © 2000 John Wiley, Inc.

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

25Copyright © 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright © 2000 John Wiley, Inc.

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

27Copyright © 2003 LTC - Livros Técnicos e Científicos Editora S.A. Copyright © 2000 John Wiley, Inc.

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