Instrumentação e Controle - Aula 1

(1)

Instrumenta¸c˜ao e Controle Aula 1

Apresenta¸c˜ ao

Prof. Renato Watanabe

ESTO004-17

(2)

Calend´ario

Quarta-Feira Sexta-Feira

Data Tema Data Tema

31/mai AULA 1: Apresenta¸cão 02/jun AULA 2: Classifica¸cão de sistemas 07/jun AULA 3: Modelagem com equa¸cões diferenciais 09/jun Aula Prática 1

14/jun AULA 4: Representa¸cão no espa¸co de estados 16/jun Feriado 21/jun AULA 5: Resposta da Equa¸cão homogênea 23/jun Aula Prática 2 28/jun AULA 6: Resposta for¸cada 30/jun Aula Prática 3 05/jul AULA 7: Análise da resposta ao degrau 07/jul Aula Prática 4

12/jul PROVA 1 14/jul AULA 8: Transdu¸c˜ao de medidas e sensores

19/jul AULA 9: Circuitos de instrumenta¸c˜ao 21/jul AULA 10: Caracter´ısticas de instrumentos 26/jul AULA 11: Estabilidade 28/jul AULA 12: Controle em malha fechada 02/ago AULA 13: Controladores elementares 04/ago Aula Pr´atica 5

09/ago AULA 14: Controle PID 11/ago Aula Pr´atica 6

16/ago PROVA 2 18/ago Prova Substitutiva

2 2

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Aulas pr´aticas

A parte prática da disciplina será composta por seis laboratórios. Em três deles será desenvolvido um sistema de controle de posi¸cão de um motor de corrente cont´ınua em malha fechada. Estas aulas serão na sala O-L13.

Nestas aulas, os alunos deverão formar grupos de 4 a 5 pessoas para realizar as atividades propostas em sala de aula. Cada grupo deverá entregar um relatório com as atividades propostas no roteiro uma semana após a realiza¸cão das práticas.

3 3

(4)

Aulas pr´aticas

As outras três serão na sala A1-L002, e os alunos aprenderão conceitos básicos dos softwares Labview e MATLAB. Nestas aulas, os alunos deverão formar duplas para realizar as atividades propostas em sala de aula. Cada dupla deverá entregar um relatório com as atividades propostas no roteiro uma semana após a realiza¸cão das práticas.

4 4

(5)

Aulas pr´aticas

Todos os relat´orios dever˜ao ser enviados para [email protected] .

5 5

(6)

Aulas pr´aticas

Professores:

Renato Naville Watanabe Fernando Moura

6 6

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Aulas Pr´aticas

Aula Pr´atica Data Turma A1 Turma A2

1 09/jun Lab 1 na sala A1-L002 Lab 2 na sala O-L13 2 23/jun Lab 2 na Sala O-L13 Lab 1 na sala A1-L002 3 30/jun Lab 3 na sala A1-L002 Lab 4 na sala O-L13 4 07/jul Lab 4 na sala O-L13 Lab 3 na sala A1-L002 5 04/ago Lab 5 na sala A1-L002 Lab 6 na sala O-L13 6 11/ago Lab 6 na sala O-L13 Lab 5 na sala A1-L002

Lab 1: Introdu¸c˜ao ao LabView Lab 2: Curva de Calibra¸c˜ao

Lab 3: Introdu¸c˜ao `a Modelagem com Matlab Lab 4: Acionamento do motor

Lab 5: Introdu¸c˜ao `a Controle com Matlab Lab 6: Controle em malha fechada do motor

7 7

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Provas

Serão realizadas duas provas. As provas terão duas horas de dura¸cão e serão feitas de forma individual. Cada aluno poderá levar para a prova uma folha A4 com anota¸cões pessoais, frente e verso. As anota¸cões contidas na folha trazida pelo aluno deverão ter sido escritas a mão e conter o seu nome. Não serão aceitas cópias ou impressões.

8 8

(9)

Conceitos

M =

min(M_P,M_L) ,seM_P <5 ou M_L<5 0,35P₁+ 0,35P₂+ 0,3M_L ,caso contr´ario

onde

M_P = P1+P2

2 .

M´ediaM Conceito

96M A

7,56M <9 B 6,06M <7,5 C 56M <6,0 D M <5 F

9 9

(10)

Recupera¸c˜ao

Os alunos que obtiverem conceito final D ou F poderão requerer a realiza¸cão de uma recupera¸cão, a ser realizada em data a ser definida posteriormente.No caso de realiza¸cão da prova de recupera¸cão, a nota final será calculada da seguinte maneira:

MF = M+M_R

2 (1)

em que M_R é a nota da prova de recupera¸cão. Neste caso, a conversão para conceitos será a mesma adotada na tabela do slide anterior, utilizando a nota M_F no lugar deM.

10 10

(11)

Bibliografia

OGATA, K.;Engenharia de controle moderno, Prentice Hall, 4a Ed. (2003).

DORF, R.C.;Sistemas de Controle Modernos, LTC, 12a Ed. (2013).

HELFRICK, A.D.; COOPER, W.D.Instrumenta¸cão Eletrônica Moderna e Técnicas de Medi¸cão. Prentice Hall do Brasil, (1994).

ALVES, J.L.L.Instrumenta¸c˜ao, controle e automa¸c˜ao de processo, Rio de Janeiro: LTC, (2005)

BALBINOT, A.; BRUSSAMARELLO, V. J.;Instrumenta¸c˜ao e Fundamentos de Medida, LTC, 1a edi¸c˜ao, 2006.

11 11

(12)

Site da disciplina

http://ebm.ufabc.edu.br/graduacao/disciplinas/ic/

12 12

(13)

Entrada e sa´ıda de um sistema

Um sistema pode ser visto como um processo que transforma um sinal em outro. Portanto, um sistema tem uma entrada e uma sa´ıda, que se

relaciona com a entrada pela dinˆamica do sistema.

Entrada(s)u(t): considerada como a causa.

Sa´ıda(s) y(t): considerada o efeito provocado pela entrada.

13 13

(14)

Controle

Nem sempre o sistema tem o comportamento desejado

O objetivo de um sistema de controle ´e que o sinal de sa´ıda tenha o comportamento desejado.

Geralmente, um sistema de controle requer uma realimenta¸c˜ao.

14 14

(15)

Exemplo b´asico de controle

Chuveiro

Chuveiro Fluxo

de água

Chuveiro Temperatura Fluxo

de água

Chuveiro

Registro Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil Temperatura

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(16)

Chuveiro

Chuveiro Fluxo

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(17)

Chuveiro Chuveiro Fluxo

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(18)

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(19)

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(20)

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(21)

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(22)

de água

Chuveiro

Fluxo de água

Chuveiro

Medição tátil

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

Chuveiro

desejada

+ -

Registro

Pessoa Temperatura

Fluxo de água

++ Outro

ﬂuxo de água

15 15

(23)

Estrutura de um sistema de controle em malha fechada

Referência ou

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo Set Point

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Ruído sensorial Referência ouSet Point

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Realimentação

16 16

(24)

Referência ou

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Realimentação

16 16

(25)

Referência ou

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Realimentação

16 16

(26)

Referência ou

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Realimentação

16 16

(27)

Referência ou

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Saída

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador

Erro

Sinal de controle

+ +

Distúrbio externo

+ +

Sistema ou Planta

Realimentação

16 16

(28)

Estrutura da disciplina

Sistema ou Planta

Sensor

+ -

Atuador

Controlador +

+

+ +

Sistema ou Planta

Realimentação

Sistema: Aulas 2 a 7 e Labs 3 e 4

Sensor (instrumenta¸c˜ao): Aulas 8 a 10 e Labs 1 e 2 Controlador: Aulas 11 a 14 e Labs 5 e 6

17 17

(29)

Controle de n´ıvel de uma caixa d’´agua

18 18

(30)

Controle de n´ıvel de uma caixa d’´agua

18 18

(31)

Regulador de Watt

Motor de combustão

Sistema de transmissão Velocidade

angular desejada

+ -

Válvula de combustível Regulador

de Watt

Velocidade angular Mudança na carga

19 19

(32)

Regulador de Watt

Motor de combustão

Sistema de transmissão Velocidade

angular desejada

+ -

Válvula de combustível Regulador

de Watt

Velocidade angular Mudança

na carga

19 19

(33)

Controle de velocidade de esteira

Esteira

Tacômetro

Velocidade desejada

+ -

Motor Computador

Velocidade da esteira ++

Peso do corredor

20 20

(34)

Controle de velocidade de esteira

Esteira

Tacômetro

Velocidade desejada

+ -

Motor Computador

Velocidade da esteira ++

Peso do corredor

20 20

(35)

Controle de infla¸c˜ao

Sistema nanceiro

IPCA Meta

de in ação

+ -

COPOM do BC

In ação

Escassez de produto, instabilidade política, etc taxa de

juros

21 21

(36)

Controle da postura ereta

Sistema esquelético

Sistemas vestibular, visual,

proprioceptivo

Posição do centro de massa ideal

+ -

Músculos do corpo Sistema

Nervoso Central

Posição do centro de massa

++

Empurrão

22 22

(37)

Controle da postura ereta

Sistema esquelético

Sistemas vestibular, visual,

proprioceptivo

Posição do centro de massa ideal

+ -

Músculos do corpo Sistema

Nervoso Central

Posição do centro de massa

++

Empurrão

22 22

(38)

Malha aberta

Nem todo sistema de controle tem uma realimenta¸c˜ao.

A sa´ıda n˜ao influencia o sinal de controle.

23 23

(39)

Malha aberta

Nem todo sistema de controle tem uma realimenta¸c˜ao.

A sa´ıda n˜ao influencia o sinal de controle.

23 23

(40)

Outros exemplos

https://www.youtube.com/watch?v=M8YjvHYbZ9w https://www.youtube.com/watch?v=ru4JIZ-x8yo https://www.youtube.com/watch?v=ScjyYj7UdsM

24 24

(41)

Vantagens e desvantagens da realimenta¸c˜ao

Vantagens

I Capaz de lidar com dist´urbios e ru´ıdos.

I Robusto `a incerteza do modelo.

Desvantagens

I Em geral ´e mais caro.

I Pode levar a instabilidade.

25 25

(42)

Exerc´ıcios

1 Encontre no seu dia a dia cinco sistemas em malha fechada. Para cada um destes sistemas, identifique o sensor, o mecanismo de atua¸c˜ao e a grandeza que est´a sendo controlada. Fa¸ca o diagrama de blocos de cada um destes sistemas.

2 Encontre no seu dia a dia cinco sistemas em malha aberta. Para cada um destes sistemas, identifique o mecanismo de atua¸c˜ao e a grandeza que est´a sendo controlada. Fa¸ca o diagrama de blocos de cada um destes sistemas.

26 26