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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