Sistemas de Controle - Composição e Diagramas de Blocos

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SISTEMAS DE CONTROLE 1 ENG PROF MAURO FERREIRA AULA 2 12 Composição de um Sistema de Controle Controle do Ângulo de Azimute de uma Antena Direcional Potentiometer θit Desired azimuth angle input θot Azimuth angle output Differential amplifier and power amplifier Motor Potentiometer Antenna 12 Composição de um Sistema de Controle Block Diagram Desired azimuth angle θis Potentiometer Kpot Vis Vcs Preamplifier K Vps Power amplifier K1 s a Egs Motor and load Km ss am θms Gears Kg Azimuth angle θos Potentiometer Kpot Potentiometer θit Desired azimuth angle input θot Azimuth angle output Differential amplifier and power amplifier Motor Potentiometer Antenna 12 Composição de um Sistema de Controle Block Diagram Desired azimuth angle θis Potentiometer Kpot Vis Vcs Preamplifier K Vps Power amplifier K1 s a Egs Motor and load Km ss am θms Gears Kg Azimuth angle θos Potentiometer Kpot 12 Composição de um Sistema de Controle Referência Controlador Sinal de controle Atuador Processo Saída Distúrbio Planta Sensor Processo ou Planta Representa a parte do sistema cujo comportamento se quer controlar Medidas de realimentação Saída do processo que é convertida para a dimensão da entrada e realimenta o Comparador Comparador Compara o comportamento do sistema representado por todas as medidas naquele instante com uma configuração de referência a saída desejada Saída desejada Valor desejado para o sistema representado pela entrada em seus terminais Controlador Atua como guia calcula as modificações que devem ser realizadas para levar o sistema ao comportamento desejado O sinal que especifica tais modificações devem ser enviadas à planta Sistemas de Controle mais complexos podem controlar diversas variáveis Sistema MIMO multiple input multiple output Entrada Comparador Controlador Processo Saída Medidas Exemplo 3 avião comercial Sistema MIMO Objetivos manter cabine pressurizada piloto automático temperatura interna etc Diversos sensores diferentes para avaliar a tomar diferentes ações 1 CONCEITOS E CONSIDERAÇÕES BÁSICAS DE CONTROLE AUTOMÁTICO O controle Automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num certo valor fixo ou variante Este valor que pretendemos é o valor desejado Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo a Medida do valor atual da variável que se quer regular b Comparação do valor atual com o valor desejado sendo este o último indicado ao sistema de controle pelo operador humano ou por um computador Determinação do desvio c Utilização do desvio ou erro para gerar um sinal de correção d Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio isto é de maneira a reconduzirse a variável ao valor desejado O sinal de correção introduz pois variações de sentido contrário ao erro Resumidamente podemos definir Controle Automático como a manutenção do valor de uma certa condição através da sua média da determinação do desvio em relação ao valor desejado e da utilização do desvio para se gerar e aplicar uma ação de controle capaz de reduzir ou anular o desvio Para concretizar vamos considerar o controle de temperatura da água contida num depósito de uma maneira simplificada fig11 De todas as grandezas relativas ao sistema Nível pressão vazão densidade pH energia fornecida salinidade etc a grandeza que nos interessa neste caso regular é a temperatura da água A temperatura é então a variável controlada Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada As dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o Bourdon Tubo curvo de seção elipsoidal a enrolar ou desenrolar Os movimentos do extremo do bourdon traduzem a temperatura da água a qual pode ser lida numa escala No diagrama representase um contato elétrico no extremo do bourdon e outro contato de posição ajustável à nossa vontade Este conjunto constitui um Termostato Admitamos que se quer manter a temperatura da água nas proximidades de 50 C Este valor da temperatura da água é o valor desejado Se a temperatura por qualquer motivo ultrapassar o valor desejado o contato do termostato está aberto A bobina do contator não está excitada e o contator mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento Não havendo fornecimento de calor a temperatura da água vai descer devido às perdas A temperatura aproximase do valor desejado Quando pelo contrário a temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do termostato O contator fecha e vai alimentar a resistência de aquecimento Em consequência a temperatura da água no depósito vai subir de modo a aproximarse de novo do valor desejado Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas Neste exemplo simples encontramos contudo as funções essenciais de uma malha de controle Medida A cargo do sistema termométrico Comparação Efetuada pelo sistema de Contatos Posição Relativa Computação Geração do sinal de correção efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito elétrico do termostato Correção Desempenhada pelo órgão de Controle Contator Observase que para a correção da variável controlada temperatura devese atuar sobre outra variável quantidade de calor fornecida ao depósito A ação de controle é aplicada normalmente a outra variável da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada No nosso exemplo o Sinal de Controle pode ser a corrente elétrica i Como veremos mais tarde estamos diante de uma malha de controle do tipo ONOFF O sinal de controle apenas pode assumir dois valores Na maior parte dos casos como se verá a função que relaciona o sinal de controle com o desvio é muito mais elaborada Podemos agora representar um diagrama simbólico das várias funções e variáveis encontradas fig12 Alguns dos elementos de medida e os elementos de comparação e de computação fazem normalmente parte do instrumento chamado de CONTROLADOR Planta Uma planta é uma parte de um equipamento eventualmente um conjunto de itens de uma máquina que funciona conjuntamente cuja finalidade é desenvolver uma dada operação Processo Qualquer operação ou sequência de operações envolvendo uma mudança de estado de composição de dimensão ou outras propriedades que possam ser definidas relativamente a um padrão Pode ser contínuo ou em batelada Sistemas É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e realizam um certo objetivo Variável do Processo PV Qualquer quantidade propriedade ou condição física medida a fim de que se possa efetuar a indicação eou controle do processo neste caso também chamada de variável controlada Variável Manipulada MV É a grandeza que é operada com a finalidade de manter a variável controlada no valor desejado Set Point SP ou Set Valor SV É um valor desejado estabelecido previamente como referência de ponto de controle no qual o valor controlado deve permanecer Distúrbio Ruído É um sinal que tende a afetar adversamente o valor da variável controlada Desvio Representa o valor resultante da diferença entre o valor desejado e o valor da variável controlada Ganho Representa o valor resultante do quociente entre a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada que a causou Ambas a entrada e a saída devem ser expressas na mesma unidade 1 Introdução aos Sistemas de Controle 11 O que é Controle 12 Composição de um Sistema de Controle 13 Controle Manual x Automático 14 Os Efeitos da Realimentação 15 Os Primeiros Sistemas de Controle em MF 16 Sistemas de Controle Modernos 17 Aplicações em Engenharia 18 Aplicações em outras Áreas 13 Controle Manual x Automático Controle manual homem máquina Ex dirigir um automóvel Controle automático apenas máquina Ex piloto automático Controle Manual e Controle Automático Para ilustrar o conceito de controle manual e automático vamos utilizar como processo típico o sistema térmico das figuras 21 e 22 Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor Neste caso um termômetro está instalado na saída do sistema medindo a temperatura da água quente O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida Deste modo o operador é que está efetuando o controle através de sua observação e de sua ação manual sendo portanto um caso de Controle Manual Considere agora o caso da figura 22 onde no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituílo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado Neste caso este sistema atua de modo similar ao operador tendo então um detector de erro uma unidade de controle e um atuador junto à válvula que substituem respectivamente os olhos do operador seu cérebro e seus músculos Desse modo o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem atuando então de maneira automática sendo portanto um caso de Controle Automático Controle Autooperado Controle em que a energia necessária para movimentar a parte operacional pode ser obtida diretamente através da região de detecção do sistema controlado Deste modo este controle obtém toda a energia necessária ao seu funcionamento do próprio meio controlado Este controle é largamente utilizado em aplicações de controle de pressão e menos comumente no controle de temperatura nível etc A figura 23 mostra um exemplo típico de sistema de controle de pressão utilizando uma válvula autooperada CONTROLE EM MALHA ABERTA E MALHA FECHADA Os sistemas de controle são classificados em dois tipos sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada A distinção entre eles é determinada pela ação de controle que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída Fig 31 Sistema de Controle em Malha Aberta Fig 32 Sistema de Controle em Malha Fechada SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA ABERTA É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída portanto a saída não tem efeito na ação de controle Neste caso conforme mostrado na fig 31 a saída não é medida e nem comparada com a entrada Um exemplo prático deste tipo de sistema é a máquina de lavar roupa Após ter sido programada as operações de molhar lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos prédeterminados Assim após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta por exemplo após ela enxaguar ela não verifica se a roupa está totalmente limpa Fig 31 Sistema de Controle em Malha Aberta SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA FECHADA É aquele no qual a ação de controle depende de algum modo da saída Portanto a saída possui um efeito direto na ação de controle Neste caso conforme pode ser visto através da figura 32 a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado Um exemplo prático deste tipo de controle é o controle de temperatura da água de um chuveiro Neste caso o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho Fig 32 Sistema de Controle em Malha Fechada 13 Controle Manual x Automático Sistema em Malha Fechada CHOCOLATE FRIO Processo Medidor VAPOR Atuador CHOCOLATE QUENTE Manual 13 Controle Manual x Automático Sistema em Malha Fechada CHOCOLATE FRIO VAPOR CHOCOLATE QUENTE Automático 13 Controle Manual x Automático Direção de um Automóvel por um Condutor Humano Resposta Típica de Direção Direção Desejada Direção Atual Tempo Desired direction of travel Actual direction of travel httpsyoutubelyrocWnD1e8 Diagrama de Blocos do Sistema de Controle de Direção do Automóvel Direção de movimento desejada Erro condutor Sistema de controle de direção perturbacões automóvel Direção de movimento atual Sensores visuais e táteis Ruidos nos sensores Objetivos Sistemas de Controle Manual Automático Sistemas de Malhas Malha Aberta Malha Fechada Automação de Processos Controles Controle manual Exige a presença de um operário no processo Funções do operário Medição Tomada de decisão Atuação Automação de Processos Controles Controle automático Substitui o operador porém requer uma malha de controle Funções do operário Definição da referência Supervisão Automação de Processos Controles Controle automático Malha de controle É o conjunto formado pelo elemento controlador e atuadores do processo cujo objetivo é manter uma determinada variável de processo regulada Automação de Processos Controles Controle automático Malha de Controle Elemento Controlador Elemento Atuador Variáveis do Processo Automação de Processos Controles Controle automático Elemento Controlador Conjunto de circuitos eletroeletrônicos eletrônicos ou mecânicos que recebem informações através de sinais de entrada e após processamento os converte em sinais de controle os quais atuam diretamente no comando do processo Automação de Processos Controles Controle automático Elemento Controlador Sinais de Entrada Elemento Controlador Sinais de Controle Automação de Processos Controles Controle automático Sinais de Entrada Sinais elétricos Sensores conversores interruptores referências etc Sinais de controle Sinais elétricos Aplicados aos elementos atuadores Elementos atuadores Válvulas motores compressores conversores etc Automação de Processos Controles Controle automático Exemplo Controlador de Temperatura PV Processvalue Valor atual SV ou SP Setvalue Setpoint Valor desejado Sinais de Entrada Sinais de Saída Automação de Processos Controles Controle automático Controlador analógico Baseados em amplificadores operacionais AmpOp Elementos passivos resistores indutores capacitores Filtros Ganhos Comparadores Controladores digitais Baseados em processadores Hardware circuito eletrônico DAs Software programa de controle Sistemas de Controle Sistema em Malha Aberta São sistemas de controle nos quais a saída não tem efeito na ação de controle Simples de baixo custo Podem ser imprecisos não compensam perturbações Não possuem informações da variável de saída Sinal de Entrada Controlador Sinal de Controle Processo Sinal de Saída Sistema em Malha Aberta Exemplos Sistemas que empregam controladores sequenciais Timer mecânico Timer digital Aplicações Semáforos Sinais sonoros Observação Não verificam se a carga foi realmente acionada Sistema em Malha Fechada Complexos e de custo mais elevado Possuem informações da variável de saída Medição Sistema em Malha Fechada Exemplos Controladores de temperatura Controladores de velocidade de motores CC ou CA Motor e Tacômetro Inversor de Frequência Sistemas de Controle Sistema em Malha Fechada Exemplos Rumo de viagem desejado Erro Motorista Mecanismo de direção Automóvel Rumo de viagem real Medição visual e táctil Sistemas de Controle Sistema em Malha Aberta Exemplo sistema de controle que mantenha a velocidade de giro de uma Mesa Rotativa constante Sistemas de Controle Sistema em Malha Fechada Exemplo sistema de controle que mantenha a velocidade de giro de uma Mesa Rotativa constante Representar em diagrama de blocos com Malha Aberta o Controle de Temperatura de uma Sala com os seguintes blocos Entrada Setpoint SP Controlador Termostato Saída Temperatura Ambiente PV Atuador Sistema de aquecimentorefrigeração Representar em diagrama de blocos com Malha Fechada o Controle de Temperatura de uma Sala com os seguintes blocos Entrada Setpoint SP Controlador Termostato Saída Temperatura Ambiente PV Atuador Sistema de aquecimentorefrigeração Sensor de temperatura feedback ou realimentação Comparador a O sistema de controle de tráfego por meio de semáforos operados em base de tempos constitui um sistema de controle de malha Aberta ou Fechada Justifique b Se fosse informado o número de carros parado em cada ramo das ruas a uma central informatizada e esta central decide quando ativar o sinal verde e vermelho então o sistema seria malha Aberta ou Fechada Justifique ATÉ A PRÓXIMA AULA