Sistemas de Controle Introducao e Tipos Malha Aberta e Fechada

Introdução aos sistemas de controle Apresentação Seja bemvindo Você deve estar ciente de que com a necessidade cada vez maior de otimizar os processos já existentes é essencial que engenheiros e cientistas tenham sólidos conhecimentos em sistemas de controle visando a acompanhar os mais recentes avanços nesta área O controle automático é de extrema importância em sistemas robotizados processos industriais veículos espaciais aeronaves e veículos autônomos Com sistemas de controle em malha fechada é possível manter qualquer sistema operando dentro de parâmetros de operação preestabelecidos Sistemas de controle também são utilizados para melhorar a eficiência de processos ajustando a taxa de consumo de recursos Nesta Unidade de Aprendizagem você verá uma introdução aos sistemas de controle Alguns exemplos de sistemas serão apresentados para que você possa entender como eles funcionam de uma forma geral e como diferenciálos em seus tipos Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar sistemas de controle Reconhecer diferentes tipos de sistemas de controle Diferenciar sistemas de controle em malha aberta e em malha fechada Desafio Um sistema de controle em malha fechada possui entre outros componentes sensores atuadores e um processador que recebe dados de um sensor e envia comandos aos atuadores Portanto podese dizer que o processador é o cérebro do sistema certo O processador está ligado aos sensores e atuadores por meio de conexões elétricas como cabos e fios de cobre Esses fios são o sistema nervoso do equipamento Já as peças que sustentam os componentes do equipamento pilares e peças de junção são o esqueleto do equipamento Você sabia que a comparação entre sistemas de controle e o corpo humano pode ir além Fique em pé e coloque um pé em frente ao outro de forma que os dois pés fiquem alinhados e mantenha os braços na posição normal Feche os olhos e preste atenção na forma como o seu corpo se mantém equilibrado Quais são os sensores e atuadores que o corpo utiliza A partir dessa reflexão relacione esse caso com um exemplo de sistema de malha fechada chaleira elétrica carro autônomo relacionando a parte do corpo humano com o objeto escolhido Infográfico Ao estudar uma determinada área de conhecimento é normal entrar em contato com palavras que não são utilizadas no seu dia a dia ou que têm significado diferente daquele com o qual se está acostumado Na área de sistemas de controle acontece o mesmo Você sabe o que é um sistema O que são entradas e saídas de um sistema Um sistema deve ser obrigatoriamente um dispositivo eletrônico No Infográfico a seguir você verá de forma ilustrada os significados de alguns termos utilizados na área de sistemas de controle Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Introdução aos sistemas de controle Objetivos de aprendizagem Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados Identificar sistemas de controle Reconhecer diferentes tipos de sistemas de controle Diferenciar sistemas de controle em malha aberta de sistemas de controle em malha fechada Introdução Neste capítulo será apresentada uma introdução aos sistemas de controle e você verá o importante papel dessa área nos recentes avanços da engenharia O controle automático é de extrema importância em sistemas robotizados e veículos espaciais por exemplo Tais sistemas também estão presentes no controle de pressão temperatura e umidade em processos industriais e também em sistemas de localização e navegação automática em aeronaves e veículos autônomos É essencial que engenheiros e cientistas tenham sólidos conhecimentos em sistemas de controle e acompanhem atentamente os avanços mais recentes nessa área com vistas à necessidade de otimizar cada vez mais os processos já existentes Identificação de sistemas de controle No contexto da Engenharia Moderna o termo sistema de controle se refere a qualquer sistema ou processo automatizado Tais sistemas não se restringem meramente a sistemas robotizados tão lembrados quando o assunto é tecnologia Os sistemas de controle também estão presentes nos mais variados equipamentos presentes no nosso dia a dia desde geladeiras e eletrodomésticos a automóveis e máquinas industriais Fora do âmbito da Engenharia Elétrica Conteúdo do livro Os sistemas de controle desempenham importante papel nos recentes avanços da engenharia estando presentes no controle de pressão temperatura e umidade em processos industriais e também em sistemas de localização e navegação automática em aeronaves e veículos autônomos entre outros exemplos Para saber mais sobre esse assunto leia o capítulo Introdução aos sistemas de controle da obra Teoria de controle e servomecanismo O texto aborda os sistemas de controle de uma forma mais detalhada e além de você poder conferir algumas definições básicas também verá exemplos de sistemas de controle presentes no nosso dia a dia O conteúdo ainda aborda sistemas de controle em malha aberta e em malha fechada e qual deles é o mais apropriado para cada situação Boa leitura TEORIA DE CONTROLE E SERVOMECANISMO Eduardo Nery 2 Introdução aos sistemas de controle O conjunto desses dispositivos compõe o sistema de controle Exemplos de sistemas de controle Conheça alguns exemplos de aplicações de sistemas de controle a seguir Sistema de controle de velocidade O sistema de controle ilustrado na Figura 1 foi proposto por James Watt em 1788 para controle de velocidade em máquinas a vapor Esse sistema também pode ser utilizado em motores de corrente contínua Figura 1 Controle de velocidade de um motor de combustão interna Fonte Adaptada de Ogata 2003 p 3 Motor de combustão interna Fachada aberta Válvula de controle Combustível Válvulapiloto Óleo sob pressão Cilindro de potência Carga Em motores a combustão o sistema funciona a partir do ajuste da quantidade de combustível fornecida ao motor O controle é feito da seguinte forma o regulador de velocidade é ajustado de forma a cortar fluxo de óleo sob pressão à velocidade desejada em ambos os lados do interior do cilindro de potência Se a velocidade diminuir devido a uma perturbação a redução da força centrífuga 3 Introdução aos sistemas de controle do regulador fará com que a válvula de controle se mova para baixo e forneça mais combustível Assim a velocidade do motor aumentará até atingir o valor desejado De forma similar a válvula de controle se deslocará para cima e diminuirá o suprimento de combustível ao motor se a velocidade do motor aumentar além do desejado Desse modo a velocidade do motor será reduzida Sistema de controle de temperatura O sistema ilustrado na Figura 2 é utilizado para o controle de temperatura de um forno elétrico Porém sistemas similares são aplicados a fim de manter determinada temperatura em qualquer espaço fechado Figura 2 Controle de temperatura de um forno elétrico Fonte Adaptada de Ogata 2003 p 4 Termômetro Aquecedor Relé Conversor AD Amplif icador Interface Entrada programada Interface Forno elétrico Um termômetro mede a temperatura do ambiente o forno conforme o exemplo acima Como o termômetro é um sensor analógico o sinal gerado por ele deve ser convertido para o domínio digital por meio de um conversor AD e enviado a um processador Por sua vez o processador é previamente programado para receber dados de temperatura e comparálos com a tempe ratura desejada Em caso de divergência o processador enviará sinais para o aquecedor do forno a partir de um amplificador e um relé de modo que este aumente ou diminua sua temperatura Introdução aos sistemas de controle 4 Em controladores digitais é possível implementar uma interface de forma que o usuário possa ajustar a temperatura desejada e ler em um display a temperatura do forno ou do ambiente que se deseje adequar a temperatura Outras aplicações O sistema de distribuição de água é feito pela utilização de caixas dágua no terraço da edificação e reservatórios subterrâneos cisternas fornecem água para as caixas em edifícios residenciais o controle de nível de água visa evitar transbordamento das caixas e evitar que o abastecimento de água dos apartamentos se mantenha constante Um elevador predial necessita de precisão e confiabilidade a fim de garantir a segurança dos passageiros Para tal utilizamse estratégias de controle para manter as acelerações e desacelerações suaves e posicionar o elevador exatamente na porta do andar selecionado Em um braço robótico numerosos atuadores são utilizados Sistemas de controle são necessários para que o braço seja posicionado precisamente no local pretendido de forma a não danificar nenhuma ferramenta utilizada e seja movimentado em uma área limitada caso necessário Sistemas em malha aberta e malha fechada Sistemas em malha aberta Os sistemas de controle em malha aberta são sistemas em que a saída não influencia o sistema Em outras palavras a saída não é mensurada para fins de comparação com a entrada ou uma referência Além disso nenhum ajuste é realizado para manter o sistema nos parâmetros desejados A Figura 3 ilustra os sistemas de malha aberta e malha fechada sob a forma de diagrama de blocos 5 Introdução aos sistemas de controle Figura 3 Diagramas de bloco do controle de temperatura de sistemas em malha aberta e em malha fechada Fonte Adaptada de Ogata 2003 p 5354 Saída do sistema Saída do sistema Entrada do sistema Entrada ou referência Sinal de erro Sistema Sistema Essa aplicação é encontrada em aparelhos de arcondicionado de janela que se mantêm ligados na temperatura e na velocidade de ventilação ajustadas pelo usuário O aparelho não recebe sinais de saída ou seja não verifica se a sala está bem condicionada Portanto sistemas em malha aberta são apropriados quando é impossível ou inviável realizar a leitura da saída do sistema Para tal recomendase a utilização de componentes de alta precisão e menos sujeitos a modificarem suas características com o tempo Isso é importante porque esse tipo de sistema é sensível a mudanças e qualquer distúrbio pode levar o sistema a sair do estado desejado e não retornar Além disso menos componentes e menos sensores são utilizados em sistemas em malha aberta Por outro lado é mais simples projetar e implementar sistemas em malha aberta Além disso são recomendados nos casos em que a estabilidade não é um fator necessário uma vez que estabilidade é um a condição menos signi ficativa como o exemplo do arcondicionado de janela citado anteriormente Ademais sistemas de controle em malha aberta são de fácil manutenção e calibragem ainda que estas costumem ocorrer mais frequentemente do que nos sistemas em malha fechada Introdução aos sistemas de controle 6 Sistemas em malha fechada Os sistemas de controle em malha fechada também chamados de sistemas com realimentação são sistemas influenciados pela saída Nesses sistemas a saída é comparada à entrada do sistema chamada de referência ou sinal desejado e a diferença entre elas é chamada de erro O sistema é projetado de forma a manter o erro próximo de zero ou seja o sistema mantém a saída no nível desejado Os sistemas de controle em malha fechada não se restringem à engenharia O corpo humano por exemplo também é um sistema que funciona com realimentação a temperatura corporal e a pressão sanguínea se mantêm constantes por meio de realimentação fisiológica e assim mantêm o perfeito funcionamento do nosso organismo O equilíbrio corporal também é um bom exemplo de realimentação fisiológica do corpo humano A maior vantagem dos sistemas em malha fechada ao contrário dos siste mas em malha aberta é a estabilidade e insensibilidade a distúrbios externos Isso quer dizer que o sistema mantém a saída constante ou retorna para o valor desejado rapidamente Por isso são altamente vantajosos em casos de distúrbios e alterações não previsíveis nos componentes do sistema Essa constância possibilita a utilização de componentes eletrônicos como motores e atuadores mais baratos e imprecisos No entanto os sistemas em malha fechada podem se tornar instáveis se oscilarem indefinidamente Nesse caso poderão levar a uma correção de erros imprecisa e causar grandes oscilações na saída do sistema Uma série de fatores deve ser levada em conta quando decidir entre projetar um sistema em malha aberta ou em malha fechada Caso o sistema seja livre de distúrbios componentes de alta precisão e confiabilidade devem ser utilizados Além disso se as entradas forem previamente conhecidas será possível trabalhar em malha aberta Por outro lado sistemas em malha fechada serão utilizados sempre que corrigir o sinal de saída for necessário e mantêlo em um nível desejado 7 Introdução aos sistemas de controle 1 Em um sistema de controle de velocidade de um motor de corrente contínua o que deve acontecer quando o sensor detectar que o motor está girando mais devagar do que o desejado a Aumentar a resistência de carga b Aumentar a indutância de carga c Aumentar a tensão de alimentação do motor d Reduzir a tensão de alimentação do motor e Desligarse automaticamente 2 Qual alternativa representa uma condição para a qual é recomendado um sistema de controle em malha aberta a Impossibilidade de mensurar a saída b Presença de distúrbios externos c Atuadores de baixa qualidade d Necessidade de modificar a operação do sistema durante a operação e Onde não seja possível intervenção humana durante a operação 3 Um sistema de controle em malha aberta é apropriado para qual dos seguintes sistemas a Braço robótico b Chaleira elétrica c Quadricóptero d Impressora 3D e Semáforo 4 Qual alternativa representa uma vantagem de sistemas de controle em malha fechada a Simplicidade b Correção automática de distúrbios c Livre de instabilidade d Menor número de componentes e Livre de manutenção 5 Qual dos seguintes sensores é essencial para o controle de uma caldeira a Acelerômetro b Giroscópio c Sonar d Sensor de temperatura e Câmera OGATA K Engenharia de controle moderno 4 ed Pearson São Paulo 2003 Leituras recomendadas DORF R C BISHOP R H Modern control system Menlo Park AddisonWesley 1995 Referência Introdução aos sistemas de controle 8 FRANKLIN G F POWELL J D NAEINI E Sistemas de controle para engenharia 6 ed Porto Alegre Bookman 2013 KUO B C Sistemas de controle automático Rio de Janeiro PrenticeHall do Brasil 1985 NISE N S Control systems engineering 2 ed Menlo Park AddisonWesley 1995 LATHI B P Sinais e sistemas lineares 2 ed Porto Alegre Bookman 2008 GILAT A MATLAB com aplicações em engenharia 4 ed Porto Alegre Bookman 2012 9 Introdução aos sistemas de controle Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Conteúdo SAGAH SOLUÇÕES EDUCACIONAIS INTEGRADAS há outros exemplos de aplicações de sistemas de controle como a análise de vibrações estruturais na construção civil e o controle de temperatura e pressão em processos químicos O que são sistemas de controle Primeiramente é preciso definir sinal e sistema Um sinal é um conjunto de dados que contêm informações sobre o comportamento de um fenômeno e é descrito por equações de uma ou mais variáveis Em geral a única variável é o tempo Já um sistema é um conjunto de integrantes que processa sinais de entrada e gera sinais de saída Esse processamento é descrito por operações matemáticas básicas como ganhos ou extensos como coeficientes de uma Transformada de Fourier Independentemente da complexidade sistemas processam uma informação recebida entrada e enviam informações processadas saída Dessa forma um sistema de controle é um sistema projetado para adequar um ou mais sinais a padrões de projeto previamente determinados Leia com atenção os termos definidos a seguir pois serão muito utilizados em sua prática profissional Sensor é um dispositivo que converte um estímulo físico em algo mensurável sonares câmeras GPS termômetros barômetros acelerômetros e giroscópios são exemplos de sensores Estes dois últimos também são chamados de sensores inerciais Logo o sensor mede a saída do sistema e a converte em um sinal que pode ser enviado ao sistema Realimentação ocorre quando a saída do sistema é mensurada a fim de influenciar sua entrada esse processo ocorre em sistemas em malha fechada Atuador é um dispositivo que altera o sistema ou a variável a ser controlada A entrada do sistema é enviada para os atuadores Exemplos de atuadores motores transistores válvulas cilindros hidráulicos ou pneumáticos Alguns atuadores principalmente motores são o oposto do sensor uma vez que convertem sinais em estímulos físicos Controlador ou compensador é o dispositivo que gera sinais ao atuador de forma a adequar o sistema aos parâmetros projetados Referência é o valor desejado para comparação com o sinal enviado pelo sensor processado pelo controlador em sistemas em malha fechada OGATA 2003 None Dica do professor Tanto os sistemas de controle em malha aberta quanto os sistemas em malha fechada são adequados para diferentes situações Antes de projetar um sistema de controle devese primeiro determinar qual tipo de sistema é o mais adequado A Dica do Professor a seguir oferece uma breve explicação sobre as diferenças entre os sistemas de controle em malha aberta e em malha fechada Também são discutidos alguns exemplos para cada tipo de sistema de controle Confira Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Em um sistema de controle de velocidade de um motor de corrente contínua o que deve acontecer quando o sensor detecta que o motor está girando mais devagar que o desejado A Aumentar a resistência de carga B Aumentar a indutância de carga C Aumentar a tensão de alimentação do motor D Reduzir a tensão de alimentação do motor E Desligarse automaticamente 2 Qual alternativa representa uma condição para a qual é recomendado um sistema de controle em malha aberta A Impossibilidade de mensurar a saída B Presença de distúrbios externos C Atuadores de baixa qualidade D Necessidade de modificar a operação do sistema durante a operação E Onde não seja possível intervenção humana durante a operação 3 Um sistema de controle em malha aberta é apropriado para qual dos seguintes sistemas A Braço robótico B Chaleira elétrica C Quadricóptero D Impressora 3D E Semáforo 4 Qual alternativa representa uma vantagem de sistemas de controle em malha fechada A Simplicidade B Correção automática de distúrbios C Livre de instabilidade D Menor número de componentes E Livre de manutenção 5 Qual dos seguintes sensores é essencial para o controle de uma caldeira A Acelerômetro B Giroscópio C Sonar D Sensor de temperatura E Câmera Na prática Você sabia que sistemas em malha fechada são muito utilizados para acomodar a saída de um sistema Porém o projetista de controle deve utilizar técnicas de análise e projeto de sistemas de controle para saber quais tipos de controlador utilizar e como dimensionálos corretamente Veja a seguir como um controlador pode alterar a saída do sistema significativamente utilizando como exemplo um filtro SallenKey Essa topologia de filtro é utilizada em demoduladores em sistemas de áudio para separar faixas de frequência de som e em outras aplicações para filtrar ruído em altas frequências Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Tente você mesmo Se você tiver acesso ao MATLAB ou a outro software de simulação de sistemas como o Octave baixe os arquivos a seguir e altere os valores de Kp e Ki linhas 6 e 7 do código Observe como o comportamento da saída se altera Simulação de Sistema de Controle Veja mais sobre os softwares de simulação de sistemas no Saiba Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Carros autônomos Um dos assuntos do momento na área de tecnologia são os carros autônomos citados nesta unidade várias vezes como exemplo de aplicação de sistema de controle em malha fechada Mas você já parou para pensar como funciona um carro autônomo O canal do Youtube Manual do Mundo visitou o centro de desenvolvimento da Uber para mostrar um protótipo dessa tecnologia Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar MATLAB O MATLAB é o software mais utilizado na área de sistemas de controle Com o MATLAB é possível simular sistemas observar suas saídas e outros sinais em gráficos e projetar controladores entre outras aplicações No portal da Mathworks empresa desenvolvedora do MATLAB é possível encontrar uma extensa referência para aqueles que são iniciantes neste software em inglês Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Aplicação dos sistemas de controle Sistemas de controle não são aplicados apenas em dispositivos eletrônicos Nesta TED Talk o palestrante Carlos Ratti apresenta uma aplicação bem diferente desses sistemas Você pode ativar as legendas caso ache necessário Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Octave Não tem acesso ao MATLAB O Octave é um programa similar ao MATLAB mas gratuito em inglês Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Wolfram Alpha O Wolfram Alpha possui ferramentas matemáticas para inúmeras aplicações inclusive para sistemas de controle Este portal é uma alternativa online e gratuita ao MATLAB para operações mais simples Porém é bem limitado Vale conferir em inglês Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar MATLAB com aplicações em engenharia O livro MATLAB com aplicações em engenharia do autor Amos Gilat aborda aspectos básicos e necessários para a utilização do software MATLAB de forma muito ilustrada Na obra você vai encontrar telas detalhadas do programa tutoriais passo a passo e diversos exemplos de aplicação Conteúdo interativo disponível na 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