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INTRODUÇÃOO que é sistema?O que é um sistema de controle?
SISTEMASO aspecto importante de um sistema é a relação entre as entradas e a saída
Motorelétrico
Entrada SaídaUsina
SaídaEntradapotênciaelétrica
rotaçãomecânica
combus-tível
eletrici-dade (b)(a)
Sistemas: a) uma usina b) Um motor elétrico
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SIMILARIDADE ENTRE SISTEMAS
−=
−RC
t
C eVV 1
−=
−τt
eKT 1
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Subsistemasacoplados
EXEMPLO DE UM SISTEMA DE CONTROLE
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MODELOS
SISTEMAS EM MALHA ABERTA E EM MALHA FECHADA
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Exemplo de um sistema de controle em malha fechada
Comparação da temperatura desejada
com a real Esta entrada para o bloco depende da diferença entre as temperaturas real e desejada
Entrada
temperatura desejada
+
-
Aquecedorelétrico
Saída
temperatura
Medição detemperaturaSinal realimentado
relacionado à temperatura real
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Sistemas em malha aberta•Vantagens
•São relativamente simples•Baixo custo
•Desvantagens•São imprecisos
Sistemas em malha fechada•Vantagens
•Combinam valores reais com valores desejados•Desvantagens
•São mais complexos•Maior custo•Atrasos de tempo podem ocasionar oscilações na saída e instabilidade
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ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA EM MALHA ABERTA
1. Elemento de controle2. Elemento de correção3. Processo
- Sinal de entrada- Variável controlada
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ELEMENTOS BÁSICOS DE UM SISTEMA EM MALHA FECHADA
1. Elemento de comparação Sinal de erro = sinal de referência – sinal medido
2. Elemento de controle
3. Elemento de correção
4. Processo
5. Elemento de medição
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Controle realizado poruma pessoa (operador) ⇐
Controle realizado de modo automático (pneumático) ⇒
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
•Variável controlada: nível da água no tanque•Valor de referência: ajuste inicial da posição da alavanca•Elemento de comparação:alavanca•Sinal de erro: diferença entre os ajustes inicial e real das posições da alavanca
•Elemento de controle: alavanca pivotada•Elemento de correção: a palheta permitindo ou fechando o fornecimento de água•Processo: água no tanque•Dispositivo de medição: a boia e a alavanca•Realimentação: negativa
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
EXEMPLO DE UM SISTEMA MULTIVARIÁVEIS
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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EXEMPLOS DE SISTEMAS DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
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ESTRATÉGIAS DE CONTROLE
SISTEMA EM MALHA ABERTA•Liga – desliga (on-off)•Ações temporizadas•Seqüências de chaveamentos temporizados
SISTEMA EM MALHA FECHADA•Liga – desliga (on-off)•Controle proporcional•Controle derivativo•Controle integral•Combinação dos anteriores PID
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CONTROLE DIGITAL
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CONTROLE DIGITAL
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MODELOS MATEMÁTICOS DE SISTEMAS
ExemploUm motor tem uma função de transferência de 500 rpm/volt. Qual será a velocidade de saída em regime permanente para esse motor quando a entrada é de 12 V?
Solução
permanenteregimeementradapermanenteregimeemsaídaG =Função de transferência
Resposta em regime permanente = G x entrada em regime permanente
rpmvoltsvoltrpmRotação 600012500 =×=
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MODELOS MATEMÁTICOS PARA SISTEMAS EM MALHA ABERTA
i
Gθθ1
1 =1
22 θ
θ=G
23 θ
θoG =
21
21
θθ
θθ
θθ
θθ o
ii
o ××=
321 GGGGciatransferêndeFunção ××=→
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MODELOS MATEMÁTICOS PARA SISTEMAS EM MALHA ABERTA
ExemploO sistema de medição usado com um sistema de controle consiste em dois elementos: um sensor e um condicionador de sinais em cascata. Se o sensor tem uma função de transferência de 0,1 mA/Pa e o condicionador de sinal uma função de transferência de 20, qual será a função de transferência do sistema de medição?
Solução SensorF.T. 0,1 mA/Pa
Condicionadorde sinal F.T. 20 correntepressão
O sensor e o condicionador de sinal estão em cascata, então a função de transferência combinada dos dois elementos é o produto das funções de transferência dos elementos individuais
PamAciatransferêndeFunção 2201,0 =×=
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MODELOS MATEMÁTICOS PARA SISTEMAS EM MALHA FECHADA
oio H
Gθθθ
−=
eG oθ=
o
fHθ
=oθ
fe i −=θ
GHG
i
o
+=
1θθ
A equação acima é para realimentação negativa.Para realimentação positiva o denominador fica (1-GH)
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ExemploUm motor de velocidade controlada tem um sistema motor-relé-amplificador com uma função de transferência de 600 rpm/V e um sistema de medição na malha de realimentação com uma função de transferência de 3 mV/rpm. Qual é a função de transferência do sistema global?
+-
Amplificador-relé-motorF.T. 600 rpm/V
Vrpm
GHGTF 3,214
003,06001600
1.. =
×+=
+=
Sistema de mediçãoF.T. 3 mV/rpm
O sistema terá realimentação negativa, e a função de transferência global é dada por
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MODELOS MATEMÁTICOS PARA SISTEMAS EM MALHA FECHADA COM VÁRIOS ELEMENTOS
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ExemploUm sistema de controle de posição de uma máquina ferramenta
tem um amplificador em cascata com um chassi de válvulas deslizantes e uma realimentação com um sistema de medição de deslocamento.
Se as funções de transferência são dadas a seguir, qual é a função de transferência global para o sistema de controle?
+-
AmplificadorF.T. 20mA/V
Chassi de válvulasdeslizantes
F.T. 12mm/mA
2G
H
HGGGGTF
..1...
21
21
+=
Vmm
mmV
mAmm
VmA
mAmm
VmA
TF 29030,012201
1220.. =
××+
×=
MediçãoF.T. 30 mV/mm
1G
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ERRO EM REGIME PERMANENTE
i
osG
θθ
=
)1( −= si GE θ
→Se a função de transferência éioE θθ −=
⇒iisGE θθ −=
Para malha aberta Para malha fechada
GHGGs +
=1
)11
( −+
=GHGE iθGGs =
Se GH >>>1)1( −= GE iθ
)11( −=H
E iθ
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ExemploExemploA figura mostra um controlador com ganho 12 e um motor com uma
função de transferência de 0,10 rpm/V.a) Qual o erro em regime permanente quando o sistema está em malha aberta e como o erro variará se, devido a mudanças ambientais, a função de transferência do motor variar 10%?
12 0,10rpm/V oθiθ
1G 2G
( ) iiE θθ 2,0110,012 =−×=( )121 −= GGE iθ ⇒
VrpmG 11,02 =Variação de 10% na função de transferência do motor
( ) iiE θθ 32,0111,012 =−×=
O erro será incrementado de 1,6 vezes
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b) Qual o erro em regime permanente quando o sistema está em malha fechada e a realimentação tem um ganho de 1 V/rpm, e como o erro variará se, devido a mudanças ambientais, a função de transferência do motor variar 10%?
12 0,10rpm/V oθ+
-iθ1G 2G
−
+= 1
1 21
21
HGGGGE iθ ⇒ iiE θθ 45,01
0,110,012110,012
−=
−
××+×
=
Variação de 10% na função de transferência do motor VrpmG 11,02 =
iiE θθ 43,010,111,0121
11,012−=
−
××+×
=
O erro será incrementado de 0,95 vezes
1,0 V/rpmH
A variação do erro é consideravelmente menor do que a ocorrida com o sistema em malha aberta. O sistema em malha fechada é menos sensível a mudanças ambientais
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EFEITOS DE DISTÚRBIOS
dio GG θθθ += 21
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EFEITOS DE DISTÚRBIOS
21 )( GG dio θθθ +=
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EFEITOS DE DISTÚRBIOS
dio fGG θθθ +−= )(21 oHf θ=
+
+
+
=HGGHGG
GGdio
2121
21
11
1θθθ
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EFEITOS DE DISTÚRBIOS
[ ]dio fGG θθθ +−= )(12 oHf θ=
+
+
+
=HGG
GHGG
GGdio
21
2
21
21
11θθθ
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SENSIBILIDADE A MUDANÇAS DE COMPONENTES
SISTEMA EM MALHA ABERTA
321.. GGGTF ××=
321.. GGGTF ××∆=Variação na
SISTEMA EM MALHA FECHADA
HGGGGGGTF
321
321
1..
+= 1321 >>>HGGGSe
HTF 1.. = A função de transferência global não é afetada
por variações nos componentes do ramo direto
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ESTABILIDADE DE SISTEMAS DE CONTROLE
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CONTROLE EM MALHA ABERTA VERSUS CONTROLE EM MALHA FECHADA
As vantagens de se ter realimentação e, portanto, um sistema em malha fechada sobre um sistema em malha aberta são:
1. Maior precisão na combinação dos valores desejado e real para a variável controlada
2. Menos sensível à distúrbios3. Menos sensível a variações nas características dos
componentes4. Aumento na velocidade de resposta e também na faixa de
passagem, isto é, faixa de freqüência sobre a qual o sistema responderá.
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CONTROLE EM MALHA ABERTA VERSUS CONTROLE EM MALHA FECHADA
As desvantagens são:1. Perda no ganho, em que a função de transferência de um
sistema em malha aberta é reduzida de G para G/(1+GH) em razão do ramo de realimentação com uma função de transferência H.
2. Grande possibilidade de instabilidade.3. O sistema é complexo e, além de mais caro, também é
mais propício a danos.
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PROBLEMAS