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Prof Anny Verly
Joo Monlevade, abril de 2016.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Sistemas de Controle IAula n1Introduo disciplina
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ObjetivosViso Geral
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
Uma das reas tecnolgicas fundamentais
para se aumentar a rentabilidade das unidade a de controle, automao e otimizao deprocessos!
Melhoria contnua da produtividade dasplantas industriais.
Prof Anny Verly
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ObjetivosViso Geral
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Ganhos:
Aumento no nvel de qualidade dos produtos; Minimizao da necessidade dereprocessamento;
Aumento da confiabilidade; Liberao do operador de uma srie deatividades repetitivas para executar a supervisoe otimizao da planta.
Prof Anny Verly
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ObjetivosViso Geral
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Controle de Processos: Se refere a sistemas
quem tm como objetivo manter certas
variveis de uma planta entre os seus limites
operacionais desejveis.
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ObjetivosViso Geral
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Tipos de sistemas.
Modelagem matemtica de sistemas lineares.
Anlise de sistemas no domnio do tempo. Anlise de estabilidade.
Anlise de sistemas no domnio da frequncia.
Lugar das razes. Estratgias de controle.
Projetos de compensadores.
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Disciplinas Relacionadas
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Semi Bsico:
Clculo, fsica,programao,EDOs, clculo
numrico.
Bsico :
Circuitos Eltricos,Sinais e Sistemas,Eletromagnetismoe MODELAGEM.
Semi Intermedirio:
Mquinas, Eletrnicae SISTEMAS DE
CONTROLE I.
Intermedirio:INSTRUMENTAO,
AcionamentosEltricos,
INFORMTICAINDUSTRIAL
nfase:
Controle Multivarivel,No Linear, Digital,
Adaptativo,Estocstico, Robtica,
identificao...
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Contextualizao da rea no curso
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Contextualizao da rea no curso
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Contextualizao da rea no curso
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Etapas para a Construo de um Sistema
Automtico
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DEFINIO DOSOBJETIVOS EFINALIDADE
INSTRUMENTAODO SISTEMA
FERRAMENTAS DEMODELAGEM DO
SISTEMA
FERRAMENTAS DECONTROLE
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O Problema
Sistema
Entrada Sada
R(s)
Controlador
Sensor
E(s) U(s)
Y(s)
Gc(s) G(s)
H(s)
0 1 2 3 4 5 6.2
.
.
.8
1
.2
.
.
0 1 2 3 4 5 6
0
.2
.4
.6
.8
1
t)
. . . ..
.
.
.
.
.
.
.
t)
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O ProblemaProjeto Completo
Maglev
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O ProblemaProjeto Completo
Maglev
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O ProblemaProjeto Completo
Maglev
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Projeto Completo
Maglev
Estabelecer os objetivos,identificar as variveis a
serem controladas eespecificaes.
Sistema
Referncia
Sada
R(s)
Controlador
Sensor
E(s) U(s) Y(s)
Atuador
M(s)
+
-
-
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Projeto Completo
Maglev
Estabelecer os objetivos,identificar as variveis a
serem controladas eespecificaes.
Definio e modelagemdo sistema.
Sistema
Referncia
Sada
R(s)
Controlador
Sensor
E(s) U(s) Y(s)
Atuador
M(s)
+
-0,5 [A /V ]
-19,6
7400 [V /m]
S - 5600
-
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Projeto Completo
Maglev
Estabelecer os objetivos,identificar as variveis a
serem controladas eespecificaes.
Sistema
Referncia
Sada
R(s)
Controlador
Sensor
E(s) U(s)Y(s)
Atuador
M(s)
+
-0,5 [A /V ]
-19,6
7400 [V /m]
S - 5600
Definio e modelagemdo sistema.
Projeto do sistema decontrole, simulao e
anlise.
s 16,9-4,3e6s 5,6e5
A Importncia da Modelagem de SistemasRodrigo Ricco
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Projeto Completo
MaglevResultados simulados
Sem controle!!!
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Projeto Completo
MaglevResultados simulados
Com controle!!! ;-)
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Projeto Completo
MaglevResultados Experimentais
A Importncia da Modelagem de SistemasAnny Verly
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Projeto Completo
Maglevmontagem final e funcionamento
Prefessor Orientador: Rodrigo Augusto RiccoAlunos de SC1: Paulo Mata, Wilsander, Ra e Ismael.
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Projeto Completo
ExemploSistema de Controle de Temperatura
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Projeto Completo
ExemploSistema de Controle de Temperatura
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Projeto Completo
ExemploSistema de Controle de Temperatura
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Projeto Completo
ExemploSistema de Controle de Temperatura
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Controle de Um Sistema Linear
ExemploSistema de Controle de Temperatura
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100024
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
Temperatura(C)
Tempo (segundos)
Determinao do modelo da estufa
.3,24007,0
03,0
)(
)(
)( ssR
sY
sG
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Controle de Um Sistema Linear
ExemploSistema de Controle de Temperatura
Projeto do controlador PID
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100024
26
28
30
32
34
36
38
40
42
Temperatura(C)
Tempo (segundos) 0 100 200 300 400 500 600 700 800
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
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Temperatura(C)
Tempo (segundos)
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2. Introduo ao Controle
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O controle automtico tem
desempenhado um papel
fundamental no avano da
engenharia e da cincia. Alm
da extrema importncia em
sistemas de veculos
espaciais, sistemas de
direcionamento de msseis,sistemas robticos...
O controle automtico tem se tornado de grande importncia e parte integrantedos modernos processos industriais e de produo, (OGATA, 2003).
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2. Introduo ao Controle
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No controle industrial, um grandenmero de variveis, que
compreende desde a vazo,
temperatura e presso at o tempo
e a distncia, podem ser detectadas
simultaneamente.
Todas podem ser variveis
interdependentes em um nicoprocesso que exige sistemas
microprocessados complexos e
desempenham um controle total.
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2. Introduo ao Controle
O que Controle?
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Um problema de controle consiste em determinar uma
forma de afetar um sistema fsico considerado de modoque o seu desempenho atenda s especificaes;O comportamento do sistema fsico pode ser alteradoatravs das variveis manipuladas (ou varivel de
controle) geradas por um controlador.
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2. Introduo ao Controle
Feeling
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Objetivo: Sala com TA=0C manter a temperatura em22C, mesmo com a abertura e fechamento de portas e
janelas. 1 Exemplo:
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2. Introduo ao Controle
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1 Estratgia: o homem fecha a chave e ento vai dormir. Osistema de controle pode ser esquematizado no seguintediagrama:
Resultado:
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2. Introduo ao Controle
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Sistema de controle a malha aberta:
SistemaSada
Dispositivode atuao
Respostadesejada
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2. Introduo ao Controle
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2 Estratgia: o homem l o termmetro e usa a seguinte ttica:
Resultado:
Neste caso o homem no ter altas temperaturas. Contudo, ohomem no dormir.
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2. Introduo ao Controle
Feeling
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Diagrama
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2. Introduo ao Controle
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3 Estratgia: controle automtico usando um bimetal. Obimetal composto de dois metais com coeficientes de dilataotrmica diferentes.
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2. Introduo ao Controle
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Diagrama de blocos:
Esta a melhor ttica pois o homem poder dormir e atemperatura da sala ser mantida em Ts22C.
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2. Introduo ao Controle
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O esquema genrico de um sistema de malha fechada:
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2. Introduo ao Controle
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Sistema de controle a Malha Fechada (emRealimentao):
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivode medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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2. Introduo ao Controle
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Controle de Processo
Medida da Sada
Comparador Varivel Manipulada
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2. Introduo ao Controle
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Exemplo: controle de nvel de um reservatrio:
SistemaControlador
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+Reservatrio
Bia
Nveldesejado
Nvelde gua
Bomba
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2. Introduo ao Controle
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Controle de Processos
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2. Introduo ao Controle
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Controle de Processos
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2. Introduo ao Controle
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Controle de Processos
S O O O
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2. Introduo ao Controle
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Controle de Processos
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2. Introduo ao Controle
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Controle de Processos
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2. Introduo ao Controle
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3. Alguns Conceitos
Os princpios de uma malha de controle de processoExemplo: Fornecimento de gua a uma srie de estaes detratamento, a temperatura da gua deve ser constante.
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Figura: Controle manual de um processo trmico.
Trocadorda calor!
Varivel medida Temperaturada gua
Varivel manipulada ou decontrole Fluxo de vapor
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3. Alguns Conceitos
Os princpios de uma malha de controle de processoExemplo: Fornecimento de gua a uma srie de estaes detratamento, a temperatura da gua deve ser constante.
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Figura: Controle automtico de um processo trmico. Malha de realimentao
simplificada.
Trocadorda calor!
Varivel medida Temperatura
da gua
Varivel manipulada ou decontrole Fluxo de vapor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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A malha de realimentao: o percurso do sinal da sada at a entrada paracorrigir qualquer variao entre o valor da sada e o nvel definido. Em outraspalavras, a sada de um processo continuamente monitorada, o erro entre oponto de ajuste e o parmetro de sada determinado, e um sinal de correo, em seguida, enviado de volta para uma das entradas do processo, buscandocorrigir eventuais alteraes no parmetro de sada.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Varivel controlada ou medida ou de processo: a varivel de sada
monitorada a partir de um processo. O valor do parmetro de sadamonitorado normalmente mantido dentro de certos limites estabelecidos.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Varivel de controle ou manipulada: a varivel de entrada ou parmetro de
um processo que alterado por um sinal de controle proveniente doprocessador para um atuador. Ao alterar a varivel de entrada, o valor da
varivel medida pode ser controlado.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Ponto de ajuste* ou setpoint: o valor desejado do parmetro de sada.Qualquer desvio em relao a este valor gerar um sinal de erro.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Transdutores: so dispositivos que podem converter uma forma de energia emoutra como, por exemplo, um termopar que converte a temperatura emtenso. Muitos transdutores so classificados como sensores.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Conversores: so dispositivos usados para alterar o formato de um sinal semprovocar alteraes na forma de energia, isto , uma converso de uma tensoem um sinal de corrente.
Atuador ou elemento final de controle: so dispositivos usados para controlaruma varivel de entrada em resposta a um sinal proveniente de um controlador.Um exemplo uma vlvula de controle de vazo, capaz de controlar a taxa devazo de forma proporcional amplitude de um sinal eltrico fornecido pelo
controlador. Outros tipos de atuadores so rels magnticos.
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Controladores: so dispositivos que monitoram sinais de transdutores e atuamde forma adequada para manter o processo dentro de limites especificadosde acordo com um programa predefinido, ativando e controlando osatuadores necessrios.
Sinal de erro: a diferena entre o setpoint e a amplitude da varivel medida.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Resposta
desejada(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
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Transmissores: so dispositivos utilizados para amplificar e formatar sinais,sendo adequados para a transmisso em grandes distncias com perda nulaou mnima de informao. A transmisso digital mais adequada em sistemasmais recentes.
Sistema
Sada
Comparao Controlador
Dispositivo
de medida
Respostadesejada
(Set Point)
SP
(Varivel de Processo)
PV
Sinal de controle
(Varivel manipulada)
MV
Sensor + Transmissor
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
Exerccio: A Figura abaixo mostra o diagrama de blocos de um sistema decontrole de vazo em malha fechada. Identifique os seguintes elementos: (a) osensor, (b) o transdutor, (c) o atuador, (d) o transmissor, (e) o controlador, (f)a varivel manipulada e (g)a varivel controlada ou medida.
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Figura: Controle doprocesso com um
regulador de vazo.
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3. Alguns Conceitos
Definies de elementos de uma malha de controle
Exerccio: A Figura abaixo mostra o diagrama de blocos de um sistema decontrole de vazo em malha fechada. Identifique os seguintes elementos: (a) osensor, (b) o transdutor, (c) o atuador, (d) o transmissor, (e) o controlador, (f)a varivel manipulada e (g)a varivel controlada ou medida.
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Figura: Controle doprocesso com um
regulador de vazo.
(a)
(b)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f) (g)
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3. Alguns Conceitos
Definies rpidas de uma malha de controle
Sistema: Interconexo de dispositivos e elementos para cumprir umobjetivo desejado.
Controle: Ato de comandar, dirigir, ordenar, manipular alguma coisaou algum.
Sistema de Controle: Disposio de componentes, conectados ourelacionados de maneira a comandar, dirigir ou regular a si mesmos oua outros sistemas.
Dinmica de um sistema: refere-se a uma situao ou estado que dependente do tempo, ou seja, refere-se ao comportamento de umsistema ao longo do tempo.
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3. Alguns Conceitos
Definies rpidas de uma malha de controle
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Entrada do sistema: Estmulo ou excitao aplicados a um S.C.por meio de uma fonte de energia externa, geralmente a
produzir uma resposta especfica do sistema de controle. Sada do sistema: a resposta do sistema ao ser submetido a
uma entrada.
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3. Alguns Conceitos
Definies rpidas de uma malha de controle
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Sistema de controle realimentado: um sistema que mantm umadeterminada relao entre a sada e alguma entrada de referncia
comparando-as e utilizando a diferena como um meio de controle. Exemplos de sistemas de controle realimentado:
Controle de posio e/ou velocidade de um motor eltrico;
Homem dirigindo um automvel;
Controle de temperatura do corpo humano; Controle de um brao ou manipulador robtico;
entre outros.
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3. Alguns Conceitos Sistema de Controle em Malha
aberta (SCMA)
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o sistema em que a sada no tem nenhum efeito sobre aao de controle. Em um SCMA a sada no medida nem
realimentada para comparao com a entrada.
Ex: Mquina de lavar roupas.
ControladorProcesso ou
Planta
Entrada Sada
Perturbao
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3. Alguns Conceitos Sistema de Controle em Malha
Fechada (SCMF)
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Num SCMF a diferena entre a referncia (sinal de entrada) e amedida da varivel controlada (sinal realimentado), tambmchamada de sinal de erro atuante, introduzido no controladorde modo a reduzir o erro e trazer a sada do sistema a um valordesejado.
Controlador Processo ouPlanta
Entrada Sada
Perturbao
Elemento demedida
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Exerccio: Para o sistema de controle mostrado na fig. 1, obtenha
os elementos correspondentes ao diagrama de blocos(controlador, atuador, planta e sensor).
Fig. 1
Fig 2
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Sugesto de Leitura:
-Captulo 1 (Introduo) do livro: Engenharia de Sistemas deControle de Normam S. Nise.
-E/ou
-Captulo 1 (Introduo aos Sistemas de Controle) do livro:Sistemas de Controle Modernos de Richard C. Dorf e Robert H.
Bishop.