Estratégias de controlo

Dentro da categoria de controladores ativos, existem duas estratégias totalmente di- ferentes para a atenuação de distúrbios: feedback e feedforward.

2.4.3.1. Feedback

Feedback é um processo em que é obtida informação acerca dos efeitos de uma dada ação [9]. Num controlador por feedback, um output (𝑌), representativo do estado do sis- tema, é lido pelos sensores (𝑆) e realimentado para que este seja subtraído ao sinal de refe- rência (𝑅). O sinal de erro resultante (𝐸) é fornecido ao controlador para ser interpretado e proceder ao envio do sinal de atuação (𝐴) para o sistema (𝐺). O diagrama de blocos cor- respondente está presente na Figura 2.15.

Figura 2.15 – Diagrama de um sistema de controlo ativo de uma estrutura por feedback.

Esta estratégia de controlo, embora muito utilizada, contém alguns inconvenientes. Em primeiro lugar baseia-se na reação a um erro do sinal medido, ou seja, só atua depois do sinal estar destabilizado. Para além disso, a medição do output não é feita em tempo real e apresenta efeito de memória. Também os efeitos da atuação só se fazem sentir ins- tantes depois de a atuação ter sido acionada, se bem que este inconveniente pode ser cor- rigido aumentando o ganho do controlador. Neste caso, a resposta vai ser mais rápida, mas também pode vir a causar efeitos secundários como, por exemplo, um aumento do tempo de estabelecimento e overshoot. Este balanço entre a velocidade de resposta e o tempo de estabelecimento (e o overshoot) é o que muitas vezes caracteriza o processo de criação de um controlador em malha fechada. Uma outra desvantagem associada a alguns controla- dores por feedback é o facto de terem uma largura de banda limitada devido à utilização de um modelo reduzido, onde o número de graus de liberdade é inferior ao número real total. Estes fatores estão diretamente associados a um fenómeno denominado por spillover que, segundo Preumont [11], significa estar-se a controlar apenas alguns dos primeiros mo- dos de vibração, enquanto se está a destabilizar os outros. Recorrendo a controladores

otimizados com filtros adaptativos é possível reduzir ou eliminar este efeito e as conse- quentes falhas a ele associadas [9].

Dentro dos controladores por feedback ainda se pode distinguir entre controladores baseados em métodos clássicos e os otimizados (mais recentes).

2.4.3.2. Feedforward

Fechar a malha de um sistema com realimentação por feedback não é a única manei- ra de o controlar, existindo outras alternativas, como a estratégia de feedforward. De fac- to, o feedforward é muitas vezes preferido ao feedback, como, por exemplo, no controlo ativo de ruido acústico [59, 60]. Se não existir qualquer informação sobre os distúrbios que perturbam o sistema, então a estratégia de feedback deve ser a escolhida, no entanto, caso se tenha essa informação a priori, a opção acertada poderá ser a estratégia de feedforward.

No controlo por feedforward, as perturbações são medidas e tidas em conta antes de terem tempo de afetar o sistema. Esta estratégia requer informação sobre o distúrbio e conhecimento do efeito que esse distúrbio terá sobre o sistema. A dificuldade está em pre- ver com algum rigor o efeito dos distúrbios no sistema, e ser necessário medir completa- mente todas as perturbações.

Com o conhecimento prévio da perturbação a que o sistema está sujeito, gera-se uma referência que é aplicada sobre um filtro adaptativo, que funciona como controlador e que a utiliza para cancelar o efeito da fonte de perturbação inicial. Este filtro adaptativo modi- fica o valor dos seus coeficientes e confere ao controlador a capacidade de se adaptar e responder em tempo real às perturbações [9].

Os benefícios do controlo por feedforward são significativos e muitas vezes justificam o custo, tempo e esforço extra que implica. Para além de serem mais fiáveis e reduzirem substancialmente o nível de histerese, também o consumo de energia nestes controladores é normalmente mais favorável do que nos outros [12, 25].

Para melhor compreensão destes conceitos, imagine-se uma casa onde se pretende controlar a temperatura interior. Num controlo por feedback, os sensores ao medirem uma baixa de temperatura relativamente ao valor de temperatura pretendido (setpoint), liga- vam o aquecimento com a potência recomendada. Se o controlador fosse por feedforward, o aquecimento era ligado, por exemplo, mal se abrisse uma porta que estivesse a ser obser- vada, ainda antes de essa ação ter efeito sobre a temperatura interior. No entanto, se fosse aberta uma janela em vez da porta, e esta não estivesse a ser observada, o controlador perde a sua capacidade de trabalhar por antecipação.

2.4.3.3. Hibrido

O controlo por feedforward é quase sempre acompanhado por um controlo por feed- back, porque sem ele o sistema não conseguia acompanhar variações do setpoint e suprimir perturbações não medidas, que existem sempre em qualquer processo real. A esta combi- nação chama-se de controlo híbrido. Quando combinadas, estas estratégias oferecem um elevado desempenho, pois combinam o melhor de cada um:

 o feedforward disponibiliza uma resposta rápida, ao fazer a previsão dos aconteci- mentos;

 o feedback ocupa-se do resto da resposta com precisão, compensando os erros do modelo;

2.4.3.4. Resumo

Resumidamente, o feedforward trabalha por antecipação, com base em conhecimen- tos prévios sobre o sistema e sobre as perturbações. Deste modo, não tem de esperar que algo esteja errado para atuar. Como isto muitas vezes não é completamente praticável, existem sempre erros que prejudicam o controlo. Por outro lado, o feedback não precisa de muitas destes conhecimentos, mas é um controlador reativo, cuja ação corretiva só é apli- cada após o efeito da perturbação no sistema. Para além disso, possui uma largura de banda limitada e é suscetível ao efeito de spillover. Comummente são utilizados sistemas híbridos, em que se conjuga o melhor de cada um para proporcionar bons resultados.