Introdução a Sistemas de Controle

Introdução a Sistemas de Controle Definição: um sistema de controle consiste em subsistemas (ou plantas)

reunidos com propósito de controlar as saídas dos processos.

Exemplo: uma caldeira produz calor como resultado do fluxo de combustível com o objetivo de regular a temperatura de uma sala controlando a saída de calor da caldeira. Um sistema de controle fornece uma saída ou resposta para uma dada entrada ou estímulo.

Subsistemas: válvulas de combustível, atuadores de válvulas de combustível, termostatos (sensores).

Sistemade Controle

Entrada, estimulo

Resposta desejada

Saída, resposta

Resposta real

Benefícios dos sistemas de controle

Construímos sistemas de controle por quatro razões principais:

Amplificação de potência (posicionamento de uma antena de radar)

Controle remoto (braço robótico em ambiente radioativo)

Facilidade de uso da forma de entrada (controle de temperatura)

Compensação de pertubações (controle de atitude de aeronaves)

História dos sistemas de controle

Controle Nível-Líquido:

Grécia 300 a.C. Relógio de água operava por meio de gotejamento de água a uma taxa constante.

Aplicação desta mesma idéia em um lampião a óleo (dois reservatórios de óleo configurados verticalmente).

Controles de pressão de vapor e temperatura:

Regulação da pressão de vapor (1681). Válvula de segurança de Denis Papin. Contrapeso para regular a pressão interna de uma caldeira.

Cornelis Drebbel (sec. XVII) sistema de controle de temperatura exclusivamente mecânico para chocar ovos.

História dos sistemas de controle Controle de velocidade:

Sec. XVIII James Watt inventou o regulador de velocidade de esferas para controlar a velocidade de máquinas a vapor.

História dos sistemas de controle Estabilidade, estabilização e condução:

Em 1868, James Clerk Maxwell um critério de estabilidade para um sistema de terceira ordem baseado nos coeficientes da equação diferencial.

Em 1874, Edward John Routh foi capaz de estender o critério de estabilidade para sistemas de quinta ordem.

Durante a segunda metade dos anos 1800, o desenvolvimento de sistemas de controle esteve focado na direção e estabilização de navios.

Desenvolvimentos do século XX:

Realização da pilotagem automática de navios (uso de elementos de compensão e controle adaptativo).

Nicholas Minorsky desenvolveu a teoria aplicada na pilotagem automática de embarcações que resultou no que hoje chamamos de controlador proporcional, integral e derivativo (PID), ou controlador de três modos.

História dos sistemas de controle

Aplicações contemporâneas:

Sistemas de controle encontram aplicações amplas na direção, navegação e controle de mísseis e de naves espaciais, bem como em aviões e navios.

Na indústria, encontramos sistemas de controle de nível de líquidos em reservatórios, concentrações químicas em tonéis, bem como espessura de materiais fabricados.

Utilização em larga escala de computadores digitais como parte dos sistemas de controle, por exemplo em robôs industriais, naves espaciais e na indústria de controle de processos.

Características de resposta e configurações de sistemas

Entrada e Saída:

Um sistema de controle fornece uma saída ou resposta para uma dada entrada ou estímulo. A entrada representa a resposta desejada e a saída é a resposta real.

Exemplo: entrada e saída para o sistema de um elevador.

Características de resposta e configurações de sistemas

Sistemas a malha aberta:

São comandados unicamente com base na entrada e por isso são incapazes de corrigir as pertubações. Exemplos: torradeira, tempo de estudo para uma prova, máquina de lavar roupas.

Características de resposta e configurações de sistemas

Sistemas a malha fechada (Controle com retroação):

O transdutor de entrada converte a forma de entrada na forma usada pelo controlador e o transdutor de saída mede a resposta de saída e a converte na forma usada pelo controlador. Exemplo: controlador que usa sinais elétricos para operar as válvulas de um sistema de controle de temperatura.

Objetivos de análise e de projeto

Objetivos principais da análise e do projeto de sistemas de controle:

Produzir a resposta transitória desejada

Reduzir o erro de estado estacionário

Obter estabilidade

Resposta Total = Respota Natural + Resposta Forçada

ExemploUm resistor variável, chamado potenciômetro, é mostrado na figura a seguir. A resistência é variada pelo movimento de um cursor de contato deslizante ao longo de uma resistência fixada. A resistência entre A e C é fixa, mas a resistência entre B e C varia com a posição do cursor. Se forem necessárias 10 voltas para mover o cursor de contato deslizante de A para C, desenhe um diagrama de blocos do potenciômetro mostrando a variável de entrada, a variável de saída e (dentro do bloco) o ganho, que é uma constante e é a quantidade pela qual a entrada deve ser multiplicada para se obter a saída.