cap1 introducao

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  • 1. 1/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 CONTROLO 2 semestre 2007/2008 Mestrado Integrado em Engenharia Electrotcnica e de Computadores (LEEC) Departamento de Engenharia Electrotcnica e de Computadores (DEEC) Transparncias de apoio s aulas tericas Captulo 1 Introduo ao Controlo: Exemplos Motivadores Maria Isabel Ribeiro Antnio Pascoal Reviso: Setembro de 2007 Todos os direitos reservados Estas notas no podem ser usadas para fins distintos daqueles para que foram elaboradas (leccionao no Instituto Superior Tcnico) sem autorizao dos autores

2. 2/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 MOTIVAO Um conjunto de sub-sistemas (dispositivos electrnicos, sistemas de computao, actuadores, etc.) e um processo (instalao) que interactuam de modo a levar a sada desse processo a exibir um comportamento desejado. O que um SISTEMA DE CONTROLO? Sistema de controlo Entrada: estmulo Sada: resposta Resposta desejada Resposta efectiva Os sistemas de controlo automtico Fazem parte integrante da sociedade moderna (fruto da interveno do homem), Esto presentes, desde sempre, na natureza, So importantes em inmeras aplicaes, em reas muito diversas. 3. 3/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 MOTIVAO O que um SISTEMA DE CONTROLO? Sistema de controlo Entrada: estmulo Sada: resposta Resposta desejada Resposta efectiva Controlo de posio de um elevador Resposta desejada indicao do piso para onde se pretende ir Resposta efectiva variao da altura do elevador com o tempo Piso 0 Requisitos Pretende-se que no haja disnivelamento final Quando o elevador pra, no deve ficar a oscilar em torno da posio em que vai parar O comportamento deve ser independente da carga (para certos limites de carga) A movimentao do elevador deve fazer-se sem solavancos 4. 4/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 MOTIVAO O que um SISTEMA DE CONTROLO? Sistema de controlo Entrada: estmulo Sada: resposta Resposta desejada Resposta efectiva Controlo de temperatura de uma sala Resposta desejada temperatura constante (p.e. igual a 22C) Resposta efectiva temperatura da sala Porque varia a temperatura da sala ? variao da temperatura ambiente Abertura de portas e/ou janelas Nmero de pessoas na sala Sistema de aquecimento/arrefecimento central FornalhaVlvula de gs Termostato Sala Temperatura desejada Temperatura da sala Perdas de calor Retroaco (feedback) Que aconteceria se a retroaco fosse interrompida? 5. 5/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 Um moderno sistema de controlo avalia as condies de operao do sistema compara-as com o comportamento desejado calcula aces correctivas com base num modelo do sistema actua no sistema para implementar essas aces correctivas Sistema Sensoriamento / Percepo ComputaoActuao Sistema SensoresActuadores Computador A/DD/A Relgio Sada Entrada de referncia RudoPerturbaes externasRudo Controlador Processo Sistema de controlo implementado em computador Processo: Sistema fsico, actuaco, sensores Controlador: microprocessador (onde executado um algoritmo) + A/D + D/A Modificar o comportamento do sistema (processo) Fazer com que a sada do sistema (processo) siga uma entrada de referncia E simultaneamente, o sistema controlado: Deve ser estvel Ter boa rejeio de perturbaes Responder rapidamente a alteraes nos set-points Objectivos do controlo 6. 6/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Variveis que so controladas Presso sangunea Concentrao de acar no sangue Dixido de carbono Dimetro das pupilas .... Mecanismos biolgicos de controlo no Corpo Humano Problema: seguimento de objectos Os olhos ou (olhos+cabea) ou (olhos+cabea+tronco) so capazes de seguir um objecto mvel por forma a mant-lo dentro do campo de viso Fvea central Nervo ptico Retina Lente Eixo ptico Luz incidente Pupila Iris Crnea Zona de maior acuidade visual eixo ptico Retina Musculos oculares Sistema de viso ocular objecto =ocular - objecto 7. 7/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Criao de implantes que permitam a administrao automtica de medicamentos em doentes insulina em diabticos Sistema de controlo em biomedicina Figuras retiradas de Modern Control Systems, R.Dorf, R.Bishop controlo em cadeia aberta valores para um no diabtico controlo em cadeia fechada modelo matemtico da relao causa-efeito na administrao de um frmaco caractersticas do paciente 8. 8/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Variveis que so controladas temperatura Aplicaes Sistemas de aquecimento central em edifcios Processos industriais (qumicos) Sistemas trmicos Sistema de controlo de temperatura Entrada: temperatura desejada, ref Sada: temperatura real, gua fria gua quente OBJECTIVO: manter constante a temperatura da gua no tanque sistema de controlo de temperatura Duas estratgias de controlo: colocar as torneiras em posies pr-determinadas CADEIA ABERTA ir actuando nas torneiras em funo da avaliao da temperatura da gua no tanque CADEIA FECHADA 9. 9/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Sistema de controlo de temperatura As torneiras da gua fria e da gua quente so colocadas em posies pr-determinadas p.e., resultante da experincia de um operador Nem a sada (temperatura da gua no tanque) nem outras variveis do sistema (p.e., temperatura da gua nos canos, temperatura ambiente) so usadas. Que sucede se houver PERTURBAES s condies normais de funcionamento? Que sucede se: temperatura da gua nas canalizaes diferente da habitual? A temperatura ambiente for mais baixa do que usualmente ? O depsito de gua quente ficar sem gua ? PERTURBAES o sinal de sada no tem o valor desejado CADEIA ABERTA O xito deste tipo de controlo EM CADEIA ABERTA depende de: Calibrao do elemento de controlo Periodicidade da ocorrncia das aces de controlo (experincia do operador) Ausncia de perturbaes 10. 10/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Sistema de controlo de temperatura Existe retroaco quer a sada, quer outras variveis do sistema afectam a actuao do sistema Tipo de retroaco Manual Automtica CADEIA FECHADA gua fria gua quenteengrenagensmotorAmpl. engrenagensmotorAmpl. controlador Controlo automtico em cadeia fechada termopares ref Sensores termopares tenses elctricas proporcionais s temperaturas lidas Controlador compara a temperatura de referncia, Tref, com uma funo das temperaturas lidas. A sada uma tenso elctrica que vai actuar o sistema ampl+motor+engrenagens Amplificador e Motor actuao na posio angular das torneiras Engrenagens o motor inerentemente um dispositivo de alta velocidade e as torneiras devem ser actuadas lentamente. 11. 11/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Sistema de controlo de temperatura CADEIA FECHADA a introduo da realimentao reduz os efeitos de perturbaes externas ou de variao de parmetros (incerteza no modelo do sistema fsico) mas .... pode conduzir a situaes de instabilidade gua fria gua quente engrenagensmotorAmpl. controlador ref T muito baixo Exemplo: posio fixa na torneira de gua fria Aumentar caudal de gua quente H atraso na propagao da gua quente nas canalizaes T baixa ainda mais Aumentar ainda mais caudal de gua quente Quando finalmente a gua quente atinge a torneira, vem muito quente T > ref Diminuir o caudal de gua quente ....... T < ref Ganho elevado + atraso instabilidade 12. 12/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Variveis que so controladas Posio (linear, angular) Velocidade (linear, angular) Fora Binrio Aplicaes Sistemas de transporte Elevadores Automveis Robots mveis (terrestres, submarinos) Avies International Space Station (ISS) Linhas de montagem em fbricas Sistemas de comunicaes Antenas Dispositivos elctricos e electrnicos Leitores de CD Mquinas fotogrficas Discos de PCs Sistemas mecnicos 13. 13/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS Controlo de um manipulador com duas articulaes Perturbaes (binrios aplicados) Sistema a controlar Sistema mecnico + motores u1 (volt) u2 (volt) Variaes imprevisveis 1 (rad) 2 (rad) u1. u2. sinais elctricos 1, 2 posies das articulaes Sistema a controlar u1 u2 Variaes imprevisveis 1 (rad) 2 (rad) sensores Controlador 1 ref 2 ref S1 S2 Sinais a seguir rudon ESTRATGIA DE CONTROLO SISTEMA DE CONTROLO Controlo de posio do efector terminal 14. 14/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Controlo 2007/2008 EXEMPLOS ANDROS robot terrestre para o desmantelamento de bombas Empresa: REMOTEC Robot de pintura Robot de soldadura na indstria automvel 15. 15/Cap.1Fevereiro .2008 CONTROLO:motivao e perspectiva histrica M.IsabelRibeiro,AntnioPascoal Instituto Superior Tcnico- Cont