lee aula 10 paulocoelho

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Prof. Paulo Coelho

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• Engenharia:

– Conhecimento e controlo de materiais e forças da natureza para o

benefício da humanidade.

• Engenheiros de Sistemas de Controlo:

– Conhecimento e controlo dos sistemas à sua volta a fim de dotar a

sociedade de produtos úteis, seguros e económicos.

• Para controlar é preciso conhecer!!

– Entretanto, faz parte do desafio controlar sistemas mal conhecidos.

Para controlar é necessário “conhecer” o desconhecido – É necessário um

modelo – Muitas vezes são complexos e interligados. Ex.:

• Controlo de tráfego, processos químicos, sistemas robóticos, úteis e

interessantes ligados ao controlo e à automação industrial.

Controlo

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Controlo• Engenharia de Controlo é baseada na teoria de realimentação e

na análise de sistemas lineares.

• O objectivo é interligar componentes formando uma configuração

que produzirá uma resposta desejada do sistema.

• É necessário conhecer o comportamento desejado ou o

desempenho esperado do sistema.

• Especificações de desempenho:

– Estabilidade

– Qualidade de Resposta

– Robustez

• Para conhecer o desconhecido, é necessário uma análise do

sistema.

• Embora muitas vezes não percebamos, todos os dias

participamos activa ou passivamente em diversos sistemas de

controlo.

• Então, podemos dizer que um sistema de controlo é um conjunto

de meios (sistemas físicos, ou não) que agem em conjunto e com o

objectivo de se obter o resultado ou o comportamento desejado.

• Como exemplos de sistemas de controlo, pode-se citar:

- Acto de guiar um automóvel (malha fechada);

- Acto de utilizar um liquidificador (malha fechada);

- Acto de utilizar um máquina de lavar (malha aberta);

- Acto de utilizar um microondas (malha aberta).

Controlo, o que é?

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Sistema de Controlo• Logo, um sistema de Controlo, pode ser representado por

• Os sistemas de controlo têm assumido um papel importante no nosso dia-

a-dia. Praticamente todos aspectos de nossa actividade diária são

afectados por algum tipo de sistema de controlo. A busca da qualidade,

eficiência e precisão, praticamente exige a presença de sistemas de

controlo em malha fechada sem a presença do operador humano, isto é,

CONTROLO AUTOMÁTICO.

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Sistema de Controlo

Objectivos Resultados

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Existem duas configurações, a primeira é:

• Sistema de controlo em malha aberta

– Não levam em consideração as medidas das variáveis

controladas;

– Decisões realizadas com base em sequência pré-definida;

– A saída não tem efeito na actuação de controlo;

– Opera em base de tempo.

• Ex:

– Torradeira;

– Máquina de lavar roupa.

Controlo e Malhas!...

Controlo em Malha Aberta • São aqueles em que o sinal de saída não exerce nenhuma acção

de controlo no sistema. Isso quer dizer que num sistema de controlo

de malha aberta o sinal de saída não é medido nem realimentado

para comparação com a entrada.

• Na presença de perturbações um sistema de malha aberta não vai

executar a tarefa desejada. O sistema de malha aberta somente

poderá ser utilizado na prática se a relação entre a entrada e a

saída for conhecida e se não houver “distúrbios” interno ou externo.

Actuador Planta

Entrada

Do

Sistema

Saída

Do

Sistema

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… a segunda é:

• Sistema de controlo em malha fechada

– Decisões de controlo baseadas em alguns sinais de sensores;

– usa-se uma medida da saída e a REALIMENTAÇÃO em

busca de um referencial ou comando.

• Ex:

– Frigorifico.

– Motorista conduzindo e corrigindo a posição do veículo

constantemente;

Controlo e Malhas!...

Controlo em Malha Fechada • Os sistemas de controlo com realimentação são denominados de

sistemas de controlo de malha fechada.

• Num sistema de malha fechada, o sinal de erro actuante, que é a

diferença entre o sinal de realimentação (que pode ser o próprio

sinal de saída ou uma função do sinal de saída e suas derivadas

e/ou integrais) realimenta o controlador, de modo que minimize o

erro e ajuste a saída do sistema ao valor desejado.

Controlador /

Actuador Planta

sensor

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Malha aberta, fechada ?• Sistema de Controlo em Malha Aberta (Sistema sem realimentação)

• Sistema de Controlo em Malha Fechada (Sistema com realimentação)

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ControladorProcesso

Controlado

Referênciar

SinalActuador

u

Variável Controlada

y

Controlador Processo

Sensores

r e

LT

Detector de erro

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Malha aberta vs Malha fechada

• Sistema de controlo em malha aberta

– A precisão depende da calibração;

– Devem manter esta calibração;

– Somente se a relação de entrada e saída for conhecida e

não houver distúrbio;

• Sistema de controlo em malha fechada

– Praticamente insensível a distúrbios externos e variações

internas de parâmetros;

– Permite uso de componentes baratos e de pouca precisão;

Malha fechada: o controlador• Considerando o exemplo de um sistema de aquecimento de água (Permutador de

Calor).

• Num sistema em malha fechada (com realimentação), lê-se constantemente a

saída, compara-se com o desejado e actua-se em conformidade.

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Malha fechada: o controlador

• Substituindo o operador humano por um controlador com as

mesmas funções obtém-se um Controlo Automático.

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Exemplo do sistema de controlo em

malha fechada

controladorMecanismo

Da

válvula

Processo

Medição

sensorial

Temperatura

Desejada

Temperatura de

saída

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Sistemas de Controlo

Sistema

De

Controlo

Sistema

De

Controlo

objectivos resultados

entradas saídas

Independentemente do tipo de sistema de controlo que temos, os elementos

Básicos do sistema podem ser descritos por:

1. Objectivos de controlo

2. Componentes do sistema de controlo

3. Resultados

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Sistema de Controlo • Em geral, o objectivo do sistema de controlo é controlar as saídas e de

alguma maneira pré-determinada, através das entradas u e dos elementos do

sistema de controlo. As entradas do sistema também são chamadas de sinais

actuantes, e as saídas de variáveis controladas.

• Os sistemas com mais de uma entrada e uma saída são chamados de

sistemas multivariáveis.

Sistema

De

Controlo

Entrada 1

Entrada 2

Entrada 3

saída

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Marcos Históricos50 A.C. – Relógio de

Água (Médio Oriente)

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1769 – Primeiro Controlador Automático

(Flyball governer, de James Watt)

1- Á medida que se aumenta a

velocidade da máquina, as

“bolas voadoras” afastam-se

do eixo de rotação.

2- Então, a válvula

fecha um pouco.

3- Quando o fluxo de

vapor reduz, volta-se

ao ponto de referência.

Marcos Históricos

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“Flyball governor” foi usado numa máquina a

vapor, numa fábrica de algodão em Manchester

no Reino Unido.

“Flyball governor” foi usado para regular a

velocidade da roda de um moinho a água.

Controlador Automático (Flyball governer, de James Watt)

Regulador de

James Watt

Esquemático

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Marcos Históricos

Marcos Históricos1765 – Primeiro sistema regulador de nível (Polzunov),

União Soviética.

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1930’ – Amplificador de Realimentação Electrónico(Bell Telephone Lab)

Harry Nyquist

(1889-1976)

Hendrik Bode

(1905-1982)

Harold Black

(1898-1983)

– Critério de Nyquist

– Amplificador com realimentação Negativa

– Diagrama de Bode

Marcos HistóricosPeríodo da Segunda Guerra Mundial (1940-1945) – Desenvolveram-se:

Piloto automático dos aviões; Sistema automático de Posicionamento

das armas; Radar; Sistema de controlo de Antenas; outros Sistemas

militares.

Pós Guerra – Análise no domínio da frequência;

Método das transformadas de Laplace.

1950’ – Método do Lugar das raízes

– Controlo Óptimo, Sistemas de Controlo Adaptativo

– Era dos computadores

– Era espacial (Sputnik, União Soviética)

1960’ – Método dos Espaço de Estados

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Marcos Históricos1970’ – Sistemas de Controlo Baseados no Microprocessador ;

– Sistemas de Controlo Digital.

Desde os anos 80:

Redes Neuronais; Inteligência Artificial; Controlo Fuzzy; Controlo Preditivo; Sistemas de Controlo à distância; Controlo Baseado na Internet.

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Controlo, Para Quê?

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Os sistemas de controlo fazem parte do nosso quotidiano, estando presentes

em praticamente todo o lado, desde a:

indústria aeronáutica à industria automóvel,

passando pelas linhas de montagem automatizadas,

por simples sistemas de telecomunicações,

ou por simples automatismos domésticos, p. ex: o microondas.

É hoje inconcebível pensar que um avião seja pilotado apenas de forma

manual. Os sistemas de controlo conseguem realizar as tarefas, que os

humanos realizam, de forma mais precisa, rigorosa e repetida sem o risco

de cansaço e erro humano. Com a rápida evolução dos microprocessadores

e dos microcontroladores, o uso de sistemas de controlo tem tomado

proporções cada vez maiores.

Aplicações

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1) Indústria Aeronáutica

Avião

- Controlo de altitude, rotação, …

Radar

- Controlo de tráfego, posição, …

Aplicações

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interrogação

resposta

Aplicações

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2) Indústria Automóvel

-Controlo de tracção - ESP

Aplicações

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Sistema de controlo de condução de um automóvel

Aplicações

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3) Indústria Espacial

Robôs exploratórios, Estações orbitais, Vaivéns espaciais

Aplicações

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Satélites (propulsão)

Aplicações

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4) Indústria em Geral

– Linhas de Montagem

– Automação

– Soldadura

– Pintura

– Robótica Industrial

- Sistemas de Energia

From: P. Kundar, Power System

Stability and Control, McGraw Hill,

1994, page 9.

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Aplicações

- Teste de placas de

circuito impresso

From: J. Shim, H. Cho and S. Kim, "An

Actively Compliable Probing System,"

IEEE Control Systems Magazine, vol. 17,

no. 1, February 1997, page 15.

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Aplicações

Aplicações

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Indústria Química

Sistema de controlo de nível de líquido

Sistema de controlo de pressão

Aplicações

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5) Medicina e reabilitação

Tecnologia de reabilitação

Cirurgia assistida por sistemas robóticos:

Laparoscopia

Sistema de controlo com realimentação

De força para cirurgia facial Microrobótica: endoscopia

From: R. Dorf and R. Bishop, Modern Control Systems,

Addison Wesley, 7th edition, 1995, page 706.

Biomedicina

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Aplicações

Aplicações

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6) Robótica Avançada e Veículos Inteligentes

Aplicações

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Controlo do Humanóide ASIMO

Aranha - robotizada

Aplicações

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7) Sistemas Domésticos e Domótica

Máquina de lavar:

- Controlo de rotação (eficiência, …)

Câmara de vídeo:

- Controlo de focagem, luminosidade, …

Microondas:

- Controlo de temperatura (eficiência, …)

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Controlo térmico num chuveiro eléctrico:

Aplicações

Representação esquemática

Conforto

Segurança

Comunicações

Gestão Energética

CONTROLO

DO

ESPAÇO

ENVOLVENTE

DOMÓTICA: na vertente de ajuda a pessoas com limitações

Aplicações

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Portas motorizadas

Acesso por comando à distância

Acesso por código

Aplicações

Persianas motorizadas

com interruptores

grandes e controlo por

comando à distância

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Dentro da habitação Dentro do WC

“Sensores de Quedas”Aplicações

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Sensores de fuga de água

Sensores de luz

“Sensores de luz e de fuga de água”Aplicações

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Mini-painéis de controlo

Aplicações

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Considerações• Portanto, como se viu, a maior parte dos sistemas modernos

(aviões, comboios de alta velocidade, leitores de CD, … ) não

conseguem funcionar sem a ajuda de sofisticados sistemas de

controlo.

• Os sensores são os olhos dos sistemas automáticos de controlo,

permitindo ver o que está a acontecer.

“Se se consegue medir, consegue-se controlar.”

• Os actuadores são os dispositivos que actuam no processo, após

informação obtida dos sensores, permitindo actuar no sistema de

modo a passar do estado actual ao estado desejado.

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Melhor ControloProporciona melhor precisão devido à utilização de um

modo mais inteligente, dos sensores e dos actuadores

Melhores Actuadores Proporcionam maior Robustez

Melhores Sensores Proporcionam melhor Visão

Considerações

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Alguns tipos de Sensores e de Instrumentação usados na indústria

Considerações

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Alguns tipos de Actuadores e Accionadores usados na indústria

Considerações

Actualidade

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Controlo de Veículos automóveis, sem condutor (2008)

Dúvidas?

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