A hidráulica está presente na vida humana desde a mais remota antiguidade, sendo desenvolvida, inicialmente, de maneira empírica sem maiores fundamentos. Os primeiros conhecimentos científicos tiveram início cerca de 200 anos a.C., através de Arquimedes que estabeleceu as leis fundamentais da Estática e da Hidrostática, tendo feito, entre outras descobertas, o famoso princípio que leva o seu nome.
Com relação a controle, as primeiras aplicações que se tem notícia apareceram no período entre 300 a 1 a.C., tais como: um regulador de bóia desenvolvido na Grécia, o relógio d’água de Ktesibios e um lampião de óleo inventado por Philon que mantinha o nível do óleo combustível constante. Ambos usavam o princípio do regulador de bóia. Outros mecanismos de nível de água utilizando os reguladores de bóia foram publicados por Heron de Alexandria num livro intitulado Pneumática.
No século XVII a ciência hidráulica teve progressos consideráveis com os estudos de Simon Stevin (1548-1620), Galileu Galilei (1564-1642) e Evangelista Torricelli (1608-
1647). Este último enunciou o primeiro teorema da hidrodinâmica que estabelece a relação íntima entre a carga e a velocidade de escoamento de um filete líquido através de um orifício em parede delgada. Depois de Torricelli, o cientista francês Blaise Pascal (1623- 1662) em 1640, completou os trabalhos de Stevin anunciando o princípio da prensa hidráulica, denominado de princípio de Pascal, dando uma grande contribuição para o desenvolvimento da hidrostática.
O primeiro sistema com retroação1 inventado na Europa moderna foi o regulador de temperatura de Cornelis Drebbel (1572-1633), da Holanda. Em 1681, Dennis Papin inventou o primeiro controlador de pressão para caldeiras a vapor (DORF e BISHOP, 2001).
No século XVIII, Daniel Bernoulli demonstrou teoricamente o teorema de Torricelli, que estabelece uma relação entre velocidade, pressão, e a cota de nível da molécula líquida. Daí por diante a hidráulica teve grande impulso motivado por diversos pesquisadores. (CABEZAS, 1983).
Em 1763 o engenheiro escocês James Watt (1736-1819) desenvolveu a máquina a vapor, permitindo que a hidrostática fosse aproveitada para a transmissão de energia hidráulica em sistemas térmicos.
O primeiro trabalho significativo sobre controlador automático com retroação usado em um processo industrial é o regulador de esferas de James Watt, desenvolvido em 1769 para controlar a velocidade de máquinas a vapor, figura 1.3. O sistema utilizava a força centrífuga provocada pelo movimento de esferas para controlar a abertura de uma válvula e, por conseqüência, a quantidade de vapor que entrava na máquina. A figura 1.4 utiliza o princípio de Watt para regular a quantidade de combustível a ser fornecida ao motor, ajustando-se de acordo com a diferença entre a velocidade esperada e a velocidade efetiva do motor. Tal ajuste é feito alterando-se a força centrífuga do regulador, através do movimento da haste da válvula piloto que comanda o cilindro de potência, abrindo ou fechando a válvula de controle, de forma a permitir que a velocidade real do motor atinja o valor esperado.
1 Um sistema com retroação é um sistema a malha fechada que mede a sua saída real e retorna esse valor para que seja comparado com o valor da saída desejada, usando essa diferença como meio de controle.
Figura 1.3 – Máquina à vapor de James Watt com regulador centrífugo de esferas em destaque.
Disponível em: <http://www.explicatorium.com/James-Watt.php>. Acesso em: 17 ago. 2008.
Figura 1.4 – Sistema de controle de velocidade, baseado no controlador de velocidade de James Watt (OGATA, 2003).
Em 1868 J. C. Maxwell formulou um modelo matemático baseando-se no regulador de esferas e preocupando-se com o efeito que os vários parâmetros do sistema
Cilindro de potência
Válvula piloto
Válvula de controle Motor
Carga Combustível Óleo sob pressão Fechada Aberta
tiveram sobre o desempenho do mesmo. Durante o mesmo período, I. A. Vyshnegradskii formulou uma teoria matemática sobre reguladores (DORF e BISHOP, 2001).
Várias máquinas hidrostáticas e componentes de sistemas de transmissão foram desenvolvidas por W. G. Armstrong (1810-1900) na metade do século XIX e empregados principalmente na indústria naval, como acionamentos de âncoras e guindastes.
Um grande passo na evolução dos sistemas hidráulicos foi dado em 1900 por um inventor amador americano Eli Janney, quando substituiu o fluido operante de água para óleo, reduzindo os problemas relativos à lubrificação e a vazamentos. Até então a movimentação de pistões era realizada por água sob pressão. Janney chegou também a desenvolver uma bomba hidrostática utilizando o princípio de pistões axiais.
Elmer A. Sperry desenvolveu o giroscópio e o piloto automático, e Hele Shaw introduziu a primeira máquina de pistões radiais utilizando óleo como fluido operante, ambos, em 1910. No mesmo ano começaram a ser empregados os controladores hidrostáticos de turbinas hidráulicas (LINSINGEN, 2003).
Em 1922, Minorsky demonstrou como a estabilidade poderia ser determinada a partir de equações diferenciais que descrevem o sistema. Em 1927, H. S. Black criou o amplificador com retroação.
Hans Thoma iniciou o desenvolvimento das máquinas de pistões axiais, em 1930. No ano 1932, H. Nyquist elaborou o critério de estabilidade. Em 1934, Hazen discutiu o projeto de servomecanismos a relé, capaz de acompanhar de perto uma variação de entrada.
Harry Vickers desenvolveu uma válvula limitadora de pressão pilotada, em 1936 (LINSINGEN, 2003), dois anos depois, H. W. Bode demonstrou o diagrama logarítmico de freqüência.
A teoria e a prática de controle, antes da Segunda Guerra Mundial, desenvolveram-se de duas maneiras distintas, a primeira foi desenvolvida nos Estados Unidos e no Oeste da Europa e a outra na Rússia e no Leste Europeu. A retroação nos Estados Unidos foi incentivada pelo desenvolvimento telefônico e dos amplificadores eletrônicos que utilizavam o domínio da freqüência. A Rússia utilizou uma formulação no domínio do tempo usando equações diferenciais.
A necessidade de êxito na Segunda Guerra Mundial promoveu o aumento do interesse por sistemas de controle e o desenvolvimento de novos enfoques e métodos para projetar e construir pilotos automáticos para aviões, sistemas de posicionamento de
canhões, sistemas de controle para antenas de radar, entre outros sistemas militares baseados na abordagem do controle com retroação.
Durante a década de 40, métodos de respostas de freqüência foram aperfeiçoados permitindo que sistemas de controle linear de malha fechada satisfizessem um desempenho requerido. Em 1948, Walter R. Evans desenvolveu plenamente o método de lugar das raízes. Esse método é a essência da teoria clássica de controle e permitiu a determinação de sistemas estáveis e que satisfaziam um conjunto de condições de desempenho relativamente arbitrárias (OGATA 2003).
Na década de 50, houve um desenvolvimento em todos os segmentos da automação industrial. Trabalhos como os de Backburn, Lee e Shearer, apresentados em 1958 nos Estados Unidos, deram grandes contribuições para o desenvolvimento dos sistemas hidráulicos de controle contínuo. Esse novo campo da hidráulica recebeu o nome de servo-hidráulica, separando-se da chamada hidráulica convencional. (LINSINGEN, 2003).
Ainda nos anos 50, estudos sobre controle adaptativo foram realizados objetivando o desenvolvimento de pilotos automáticos para aeronaves, mas as restrições ao utilizar ferramentas analógicas com controladores adaptativos, bem como a falta de uma visão teórica e experiências negativas em testes de vôo, provocaram uma diminuição do interesse na utilização do controle adaptativo.
De acordo com DORF e BISHOP (2001), em 1958, J. Engelberger e G. Devol construiram o primeiro robô industrial moderno.
Grandes avanços na Teoria de Controle foram alcançados na década de 60 que mais tarde se mostraram importantes para a concepção de sistemas de controle adaptativos, tais como a teoria de Espaço de Estado e a da estabilidade, e ainda neste período, houve avanços na área de estimação e identificação de sistemas, reacendendo, portanto, o interesse sobre controladores adaptativos.
Em 1969, W. Hoff desenvolveu o microprocessador. Deste então o uso de técnicas de controle moderno com realimentação em espaço de estado, tornou-se mais viável.
A partir da década de 70, paralelamente ao crescimento da microeletrônica, surgiu a válvula de controle contínuo com características construtivas pouco diferentes das servo- válvulas, mas ocupando uma lacuna onde se exigia custos mais compatíveis. As vantagens da então denominada válvula proporcional com relação as servo-válvulas, permitiu um
maior desenvolvimento nos sistemas de controle de malha aberta e de malha fechada, tais como: menor exigência em termos de resposta dinâmica, maior flexibilidade com relação ao uso em conjunto com motores lineares diferenciais e a inexistência de aparatos especiais para controle de contaminação do fluido de trabalho.
Os sistemas hidráulicos foram se sofisticando, em paralelo ao desenvolvimento das técnicas dos processos de fabricação, de maneira a permitir a utilização desses sistemas em pressões cada vez mais altas e tornando-os cada vez mais compactos, precisos e eficientes. As servo-válvulas eletro-hidráulicas exigiam processos de fabricação cada vez mais sofisticados, além de aparatos hidráulicos e eletrônicos especiais para suprir a necessidade de sua alta precisão e de suas respostas dinâmicas. Isso fazia com que os custos de instalação fossem altos, restringindo o emprego dessas válvulas a sistemas específicos. (LINSINGEN, 2003).
Com relação ao Controle Adaptativo a década de 70 também foi palco de uma evolução impressionante, impulsionada entre outras coisas, pelo advento dos microprocessadores. ÅSTRÖM (1970) e PETERKA (1970) apresentaram em linhas gerais o que viria a ser o algoritmo de Variância Mínima (MV), e Åström e Wittenmark (1973) apresentaram um algoritmo MV mais detalhado. Esse trabalho representa um marco na evolução do controle adaptativo devido a dois teoremas que relacionam a convergência do algoritmo de estimação com a estabilidade do sistema em malha fechada. Seguindo a mesma filosofia, Clarke e Gawthrop (1975) e (1979) apresentaram o Controlador de Variância Mínima Generalizada (GMV) (VAZ, 1999).
Em 1980, estudou-se amplamente o projeto de sistemas de controle robusto utilizando como ferramenta computadores digitais como componentes de controle, realizando cálculos rápidos e precisos, e permitindo a medição e controle simultâneo de múltiplas variáveis; tecnologia anteriormente indisponível para os engenheiros de controle.
Entre as décadas de 60 e 80, o controle ótimo de sistemas determinísticos2 e estocásticos3, bem como o controle adaptativo e de aprendizagem de sistemas complexos, foram amplamente pesquisados (OGATA 2003).
Na segunda metade da década de 80, devido aos problemas originados pela crise do petróleo e das necessidades de controle da qualidade ambiental, surgiram trabalhos que
2 Sistemas determinísticos. São sistemas no qual as incertezas não são modeladas de nenhuma natureza. A saída de modelos determinísticos são números determinísticos (AGUIRRE, 2007).
3 Sistemas estocásticos. São sistemas no qual as incertezas são modeladas na forma de variáveis aleatórias. Saída de modelos estocásticos são variáveis aleatórias (AGUIRRE, 2007).
sugeriam uma diversificação quanto ao tipo de fluido utilizado em sistemas hidráulicos, como óleo de origem vegetal e também o retorno à água. Paralelamente a esse desenvolvimento, observou-se o emprego de novos materiais em componentes de sistemas hidráulicos, mostrando a continuidade da evolução tecnológica dos mesmos.
No final dos anos 80 e no início dos anos 90 surgiram novas compreensões sobre a robustez de controladores adaptativos, através de pesquisas sobre sistemas não-lineares.
A era espacial trouxe novos estímulos para engenharia de controle incentivando o surgimento de sistemas mais complexos, precisos e leves para mísseis, sondas espaciais e satélites, originando com isso o controle ótimo. Métodos no domínio do tempo, para atender essas exigências, foram desenvolvidos nas duas últimas décadas por Liapunov, Minorsky, entre outros. Teoria de controle ótimo desenvolvidas por L. S. Pontryagin na então União Soviética e R. Bellman nos Estados Unidos, e estudos recentes sobre sistemas robustos, também contribuíram para o interesse em métodos no domínio do tempo (DORF e BISHOP, 2001).
Em 1994, foram usados amplamente nos automóveis controles com retroação (DORF e BISHOP, 2001).
ANDRIGHETTO, em 1996, estudou as válvulas proporcionais direcionais hidráulicas, abrangendo seu princípio de operação e não linearidades típicas. Foram analisados também, fatores importantes na seleção de válvulas proporcionais, como custo e sensibilidade a contaminante, além de revisar os principais modelos lineares e não lineares que descrevem o servomecanismo hidráulico, e comparar resultados experimentais com resultados teóricos do modelo para sua validação experimental.
SANTOS, em 1998, fez um estudo comparativo entre alguns algoritmos de controle preditivo adaptativo, com relação a diversos critérios de desempenho para aplicação em processos práticos em escala de laboratório, além de estudos relativos a aspectos de robustez quanto à ordem do modelo utilizado. Os controladores utilizados nesse trabalho foram os de Variância Mínima Generalizada (GMV) propostos por Clarke, Favier, Furuta e Lim, o GMV com alocação de Pólos, o Controlador Preditivo Generalizado (GPC) e o Controlador Preditivo Generalizado com alocação de Pólos (GPP). O controlador GPC destacou-se como o de melhor desempenho global mediante uma análise qualitativa dos resultados, tanto do ponto de vista de comportamento servo como regulatório.
VAZ (1999) analisou, através de simulações, as técnicas de controle para garantir erro médio nulo em regime permanente para os controladores de Variância Mínima Generalizada (GMV) e de Dahlin Variância Mínima (DMV), e mostrou, de maneira geral, que este último apresenta tempos de estabilização similares com relação aos GMV, e que os GMV apresentam índices de desempenho melhores do que os DMV. Os GMV utilizados foram: GMV com Q incremental, GMV com Modelo CARIMA, GMV - Favier e Hassani e GMV com Ponderação Adaptativa para Referência; os DMV utilizados foram: DMV – Al-Chalabi e Khalill, MDMV – Vaz e Coelho e DMV – Favier e Hassani.
Vários trabalhos foram realizados visando obter um melhor controle em atuadores hidráulicos, a exemplo de CUNHA em 1997, que apresentou um controlador em cascata fixo, baseado no modelo não-linear do atuador hidráulico cuja referência é a estratégia de controle em cascata proposta por GUENTHER e DE PIERI em 1997. Outros trabalhos importantes surgiram objetivando minimizar erros em malha fechada e melhorar a robustez do controle com relação às incertezas dos parâmetros e às perturbações, são eles: GUENTHER e DE PIERI (1997), LOPES (1997), GUENTHER et al. (1998, 2000), CUNHA (1997, 2001), CUNHA et al. (1997, 1998, 2000, 2002), (MACHADO, 2003).
RIUL, em 2000, apresentou uma modelagem matemática linear e uma não-linear de um atuador hidráulico, com o objetivo de posicionar uma carga através de controladores convencionais do tipo proporcional e proporcional-derivativo, bem como através de controladores neurais e híbridos.
FURST, em 2001, sistematizou uma metodologia para dimensionar e analisar estática e dinamicamente, circuitos hidráulicos em sistemas de atuação de controle de posição em malha fechada. A metodologia proposta foi aplicada a dois circuitos hidráulicos para controle de velocidade de turbinas em centrais hidrelétricas, através do controle de posição de cilindros hidráulicos, tendo como objetivo principal dimensionar e especificar corretamente uma válvula a partir de um dado atuador.
MONTENEGRO, em 2003, apresentou projetos teóricos e experimentais de controladores convencionais dos tipos: P, PD, PID, PI-D, PID com compensador e além de um controlador não convencional híbrido para um túnel de combustão usado em geradores de sistemas de refrigeração por absorção.
CARMO, em 2003, desenvolveu uma modelagem matemática para expressar a vazão dos orifícios de controle de uma válvula direcional proporcional, contemplando os efeitos de vazamentos internos como também o fator quadrático da pressão, com vistas a
auxiliar de forma mais eficaz o controle de posição, força e velocidade de atuadores hidráulicos.
Foi proposto por MACHADO, em 2003, uma modelagem matemática para um controlador em cascata fixo que compensa o atrito não-linear, obtido através de uma rede neural, num modelo dinâmico de um atuador hidráulico.
MEJÍA, em 2003, fez um estudo comparativo quanto à análise de estabilidade, sintonia e desempenho das estruturas de controle multivariável centralizadas (GMV posicional, GMV incremental, GMV PID, e PID), e descentralizadas (Boksenbom e Hood, Zalkind e Luyben simplificado e generalizado, e Yamamoto e Shah) na abordagem do controlador GMV, por meio de simulações e equacionamentos matemáticos e aplicados a quatro modelos lineares e um modelo não-linear.
OLIVEIRA, em 2004, simulou a utilização de técnicas de controle preditivo generalizado e compensadores PID, aplicadas ao posicionamento de atuadores hidráulicos, com a finalidade de controlar a espessura de chapas de aço produzidas por um laminador quádruo simples, levando em consideração o atraso de transporte inerente à medição de espessura e o efeito da excentricidade devida à imperfeição dos cilindros.
Foi proposto por VALDIERO, em 2005, um controlador em cascata com observador de atrito para controlar um robô manipulador acionado hidraulicamente. O atrito é estimado baseado na micro-deformação das rugosidades das superfícies em contato.
SOUZA, em 2005, elaborou um software para um sistema de projeto e controle de posicionadores hidráulicos implementando o projeto elaborado por FURST (2001).
PEREIRA, em 2006, projetou e implementou, experimentalmente, controladores para que um atuador hidráulico (constituído por uma válvula direcional proporcional assimétrica e um cilindro diferencial de dupla ação) fosse capaz de seguir trajetórias. Nesse trabalho, analisou-se a influência da dinâmica da válvula direcional proporcional no comportamento do sistema, e no projeto e no desempenho dos controladores clássicos (P, PI, compensador de avanço e atraso de fase e controlador de estados), do controlador proporcional com “forward loop” e do controlador em cascata fixo (CC) com e sem compensação do vazamento. Propôs também a inclusão de um termo na lei de controle do controlador em cascata para compensar vazamento interno na válvula direcional proporcional, além de analisar a influência de perturbações externas no controle de posição e seguimento de trajetória aplicada ao atuador hidráulico.
Foi apresentado por MONTENEGRO em 2007, um estudo para controlar a temperatura de um fluxo de ar em um túnel psicrométrico utilizando os seguintes controladores adaptativos: PI de ganhos tabelados, PI auto-ajustável, MV auto-ajustável e GPC auto-ajustável, onde este último apresentou um desempenho global superior aos demais.
SZPAK, em 2008, apresentou um estudo teórico-experimental do comportamento dinâmico de pressão nas câmaras de cilindros em posicionadores hidráulicos com carregamento, visando o auxilio na escolha da combinação de válvulas simétricas e assimétricas e atuadores hidráulicos simétricos e assimétricos.