Aula 1 – Introdução
O que é a Disciplina
Onde se Encaixa no Contexto da Engenharia
Exemplos Práticos
Problemas Propostos
O que é a Disciplina
Segundo o “Novo Dicionário Básico da Língua Portuguesa”, escrito por Aurélio Buarque de Holanda, o conjunto de palavras escolhidos para composição do nome desta disciplina podem ser definidas da seguinte forma:
Análise: Exame de cada parte de um todo, para conhecer sua natureza, suas proporções, suas funções, suas relações, etc...
Sistema: Disposição das partes ou dos elementos de um todo, coordenados entre si, e que funcionam com estrutura organizada.
Controle: Botão, mostrador, chave, circuito ou parafuso destinado a ajustar ou fazer variar as características de um elemento elétrico.
Se por curiosidade alguém se interessasse em saber previamente o que trata a disciplina de Análise de Sistemas de Controle com base nas definições anteriores, tal pessoa teria o conceito adequado das duas primeiras palavras. A definição associada a palavra “Controle”, esta demasiadamente restrita e tecnologicamente ultrapassada.
Em linhas gerais, pode-se dizer que esta disciplina tem por objetivo capacitar aos alunos a “Examinarem cada um dos elementos de um todo, descrevendo suas naturezas e relações, tendo como objetivo principal a compreensão do funcionamento físico deste todo descrito em forma matemática”. Uma vez caracterizado o comportamento físico, que é natural do “Sistema sob Análise” é muito comum que tal comportamento não satisfaça um conjunto de condições previamente estabelecidas e supostamente necessárias. Neste contexto, encaixa-se a idéia do controle, que tem como finalidade fazer com que o “Sistema sob Análise” passe e se comportar de forma adequada, obedecendo àquele conjunto de condições estabelecidas a priori.
Onde se Encaixa no Contexto da Engenharia
Pode-se dizer que utilização de “Sistemas de Controle” está inserida na base de qualquer dispositivo ou equipamento automatizado. Diariamente nos deparamos com uma série destes equipamentos que possuem algum tipo de controle, desde eletrodomésticos como geladeira, ferro elétrico e máquinas de lavar até sistemas robotizados empregados, por exemplo, na indústria automobilística.
Para os exemplos anteriores, citar quais seriam as variáveis de interesse e quais seriam as possíveis condições estabelecidas para o controle de cada um deles.
Observa-se o emprego de ferramentas de análise de sistemas e o posterior projeto de controladores em várias áreas Engenharia, ultrapassando desta forma âmbito da Engenharia Elétrica. Pode-se citar por exemplo, o controle de PH em processos químicos relacionado diretamente a Engenharia Química ou a análise de modos de vibração estrutural relacionado as Engenharias Mecânica e/ou Civil.
Encontra-se também exemplos de sistemas de controle nas áreas da Biologia. Um exemplo que pode ser citado é o sistema de controle de equilíbrio do corpo humano. Todas as pessoas utilizam informações dos olhos e dos ouvidos para efetuar tal controle. É o sistema de controle de equilíbrio do corpo que permite-nos sentar ou levantar mesmo estando em movimento.
Realize o seguinte experimento: Fique em pé e coloque um pé em frente ao outro, de forma que os dois pés fiquem alinhados mantendo os braços na posição normal. Feche os olhos e descreva o que acontece com o equilíbrio do seu corpo.
Em linhas gerais, neste sistema de controle a informação de equilíbrio origina-se primeiramente no interior dos ouvidos, onde canais semicirculares fornecem a informação de aceleração angular enquanto um outro dispositivo composto por minúsculas partículas de carbonato de cálcio, encontradas na superfície da membrana otolítica da mácula interna do ouvido, fornecem informação relacionada com a aceleração linear. Como pode-se observar este sistema de equilíbrio necessita ainda ser complementado por informações relativas a sinais visuais, sem os quais ficaria prejudicado.
Exemplos Práticos
Apresentaremos agora um conjunto de cinco diferentes sistemas de controle nos quais poderão ser observados o comportamento de cada um deles em sala de aula. O primeiro deles, mostrado na Figura 1.1, foi introduzido em 1788 por James Watt para o controle de velocidade em máquinas a vapor.
LACS, da PUCRS. Neste protótipo o regulador de Watt é empregado no controle de velocidade de um motor de corrente contínua.
Figura 1.2: Protótipo do regulador de Watt desenvolvido no LACS.
O segundo, esquematizado na Figura 1.3, trata-se de um sistema térmico empregado para controlar a temperatura do ar em um determinado ponto de um tubo cilíndrico. Trata-se também de um sistema didático desenvolvido no LACS, apresentado na Figura 1.4, que pode ser encontrado em diversos segmentos industriais. Na indústria eletro-eletrônica, o teste de envelhecimento precoce de produtos é feito mediante a exposição dos mesmos a temperaturas elevadas, realizados em uma câmara especial com temperatura controlada (Testes de Burn In). Na agroindústria, utiliza-se a mesma filosofia para a secagem de grãos e na indústria de tabaco, para secagem do fumo.
Figura 1.4: Protótipo do processo térmico desenvolvido no LACS.
Problemas Propostos
Nesta seção será apresentado alguns problemas práticos que poderiam surgir em situações do cotidiano de um engenheiro. Estes problemas serão propostos para serem resolvidos de forma esquemática, com base nas informações obtidas nesta aula.
• Problema 1 – Controle de Temperatura: Em uma determinada indústria, no verão, a temperatura do ambiente de trabalho atinge valores muito elevados causando desconforto térmico e conseqüente prejuízo a produção. Constatou-se que a temperatura do telhado desta instalação contribui sobremaneira para elevação da temperatura ambiente. Objetiva-se diminuir a temperatura do telhado de forma a melhorar as características de conforto térmico deste ambiente com conseqüente aumento na produtividade. Observa-se que a existência de poços artesianos no local em que a industria esta instalada, fazem com que a água seja o meio mais barato e eficaz para resfriar o telhado.
• Problema 2 – Controle de Nível: Em alguns prédios residenciais, o sistema de distribuição de água é realizado com base em caixas d’água localizadas sobre o último pavimento e um conjunto de reservatórios subterrâneos (cisternas) que fornecem a água para as referidas caixas. Objetiva-se controlar o nível mínimo de água nas caixas d’agua superiores de forma a manter o abastecimento de água no prédio, bem como o nível máximo para evitar transbordamento.
• Problema 3 – Controle de Velocidade: O objetivo deste problema é efetuar o controle da velocidade de cruzeiro em um automóvel durante uma viagem.
• Problema 4 – Controle de Tensão DC: Em uma fonte de tensão DC chaveada, deseja-se controlar a tensão de saída na carga, independente das oscilações da rede elétrica e das variações de carga a qual a fonte esta sujeita.
• Problema 5 – Controle de Tensão AC: Fontes Ininterruptas de Energia, comumente conhecidas como no-break, são largamente empregadas para o fornecimento de energia
Outros exemplos:
• Controle de nível:Em alguns prédios residenciais, o sistema de distribuição de água é realizado com base em caixas d’água localizadas sobre o último pavimento e um conjunto de reservatórios subterrâneos (cisternas) que fornecem a água para as referidas caixas. Objetiva-se controlar o nível mínimo de água nas caixas d’agua superiores de forma a manter o abastecimento de água no prédio, bem como o nível máximo para evitar transbordamento.
• Controle de temperatura: Considere uma piscina térmica olímpica onde são realizados treinamentos durante o ano inteiro, desta forma é necessário manter a água a uma temperatura agradável independente da temperatura ambiente. Para isto, existe uma caldeira instalada junto a piscina cuja a finalidade é realizar o aquecimento da água. Com base nestas informações elabore uma estratégia de controle que possibilite manter a temperatura da piscina no valor desejado. • Controle de velocidade: Em aplicações metal-mecânicas onde existe rigoroso controle de
qualidade é necessário ajustar corretamente a velocidade dos equipamentos de tal forma obter-se os resultados desejados sem o desgaste excessivo das ferramentas. Considere o caso de um furadeira elétrica utilizada para furar materiais com diferentes graus de dureza, assim elabore uma estratégia de controle que possibilite o usuário especificar a velocidade da desejada da furadeira. • Controle de posição: O posicionamento de um elevador predial requer precisão e confiabilidade
para garantir a segurança e o conforto dos passageiros. Assim, elabore uma estratégia de controle que realize o posicionamento da cabine de um elevador de tal forma que os passageiros sejam submetidos a acelerações e desacelerações suaves.
• Controle de tensão: O controle de carga da bateria de automóveis tem o objetivo de manter a tensão da bateria regulada dentro de uma faixa pré-definida, essa faixa de tensão varia em função da quantidade de equipamentos elétricos que estão sendo utilizados assim como da temperatura ambiente. Desta forma, esquematize uma estratégia de controle que realize a carga da bateria de um automóvel onde a tensão desejada é determinada em função da temperatura e da quantidade de equipamentos utilizados e, ao mesmo tempo, não varie com a velocidade de rotação do motor.
