Aula01 - Sistemas de Controle

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FATEC ADIB MOISÉS DIB

EEA-103

Sistemas de Controle

Aula 01

Professor Murilo Zanini de Carvalho

E-mail: murilo.eletronica.mecatronica@gmail.com

Site:

Sistemas de Controle

 Professor: Murilo Zanini de Carvalho

 Email: murilo.eletronica.mecatronica@gmail.com

 Dias da semana: Sábados das 8:10 às 11:50

Bibliográfia Recomendada

 Instrumentação e Fundamentos de Medidas –

Volume 1 – BALBINOT / BRUSAMARELLO – Editora LTC

Bibliográfia Recomendada

 Mecatrônica – Uma abordagem multidisciplinar – BOLTON – 4 edição – Editora Bookman

Bibliográfia Recomendada

 Instrumentação Industrial – Bega et al. – 3 edição – Editora Interciência

Bibliográfia Recomendada

 Sistemas de Controle Moderno – Dorf e Bishop – 11ª edição – Editora Pearson

Bibliográfia Recomendada

 Enganharia de Controle Moderno – Ogata – 4ª edição – Editora Prentice Hall

Critérios de Avaliação

 2 avaliações teóricas individuais e sem consulta;

 Relatórios dos ensaios realizados em sala de aula;

 Listas de exercícios realizados;

Condições de Aprovação

 Não atingir NENHUMA das condições de reprovação;

 _{Média final maior ou igual a 6;}

 Presença em aulas igual ou superior que 75% do curso.

Condições de Reprovação

 Atingir uma quantidade de faltas maior que 25% (20 faltas) ao longo do semestre, lembrando que para cada dia de aula perdido, 4 faltas são adquiridas sem custo adicional!

 Média final inferior a 6;

 Caso a média final com as notas das avaliações P1 e P2 for inferior a 6, o aluno poderá realizar a avaliação P3, sendo que essa avaliação IRÁ substituir a menor nota (P1 ou P2);

Localização do material das aulas

 Para acessar o material das aulas, acessar o site da FATEC SBC (www.fatecsbc.edu.br)

Localização do material das aulas

 O site com o material de apoio será divulgado em aulas posteriores.

 _{As listas de exercícios e os roteiros para os}

relatórios também serão disponibilizados através do site

Metodologia para construção de relatórios

 Cada ensaio realizado deverá vir acompanhado de um relatório por grupo;

 _{O número máximo de integrantes por grupo é de 3}

pessoas, caso mais pessoas venham a fazer o ensaio juntos, 1 relatório a cada 3 pessoas deve ser entregue;

Metodologia para construção de relatórios

 Todo relatório deve possuir capa com o nome da instituíção o nome do experimento e o nome dos integrantes do grupo;

 O relatório deve possuir também introdução, onde deve ser descrito, segundo LIVROS e ARTIGOS de revistas técnicas ou periódicos, os conceitos abordados no ensaio;

Metodologia para construção de relatórios

 CUIDADO: ao citar algum conteudo que foi retirado de um outro texto, referênciar o conteúdo. Caso a referência não venha a ser realizada, um caso de plágio é caracterizado!

Metodologia para construção de relatórios

 Para realizar uma referência a algum livro ou artigo, deve ser utilizada a seguinte formato:

 Nome do autor (ano publicação)

 Exemplo:

 Ogata (2000) ressalta que …

 Dorf e Bishop (2001) destacam que …

 Bega et al. (2006) apontam …

Metodologia para construção de relatórios

 A introdução deve ser breve, contudo, breve não significa que ela deve possuir apenas um parágrafo!

 _{Utilizar a maior quantidade de livros possível para}

elaborar a introdução;

 Os ensaios também devem possuir um objetivo e esse deve estar indicado;

 O material que foi utilizado no ensaio também deve ser descrito;

Metodologia para construção de relatórios

 A metodologia descreve os passos que foram utilizados para elaborar o relatório, cada uma das atividades realizadas deve ser descrita, permitindo que outra pessoa que leia a metodologia utilizada no relatório consiga reproduzir o ensaio e conseguir os mesmos resultados.

Metodologia para construção de

relatórios

Metodologia para construção de

relatórios

 Deve-se escrever a metodologia com a maior quantidade de detalhes possível.

 _{As observações obtidas com o relatório devem ser}

adicionadas em resultado e discussão.

 Não utilizar considerações finais genéricas do tipo “Pudemos concluir que o que foi dito na teória pode ser comprovado na prática”.

 Utilizar conclusões que liguem os resultados obtidos com os objetivos do ensaio.

Metodologia para construção de

relatórios

 A discussão deve trazer uma breve análise sobre o que foi realizado durante o ensaio, quais foram os resultados obtidos;

 A conclusão do trabalho deve trazer aquilo que pode-se concluir em função dos dados do relatório;

 As referências bibliograficas devem trazer os livros e artigos que foram utilizados para a elaboração do relatório.

Metodologia para construção de

relatórios

 Cada relatório deve ser entregue na semana seguinte a que o ensaio foi realizado;

 _{Para não prejudicar as pessoas que entregarão os}

relatórios na data correta, não serão aceitos os relatórios atrasados!

 As listas de exercícios devem ser entregues no dia da avaliação apenas. Elas são individuais.

Metodologia para construção de

relatórios

 LEMBRETE IMPORTANTE: Dividir para conquistar! Em um mundo ideial, todos deveriam participar de todas as etapas da elaboração do relatório, contudo, nesse mundo ideial, nenhum de nós trabalha, apenas ganhamos dinheiro por respirar e as coisas são manufaturadas por robôs. Então utilizar o fato do relatório ser realizado em grupo e dividir as tarefas de sua elaboração.

Instrumentação e Controle

 Definições de Sistemas

 Histórico da Teoria de Controle

 Termos Básicos Utilizados em Controle

Conceitos Básicos de Sistemas

 Segundo Botelho (2011), um sistema é conjunto de elementos interconectados e que interagem entre si visando alcançar um objetivo em comum.

 Dorf e Bishop (2009) definem que um sistema de

controle é composto por elementos

interconectados, capazes de produzir a resposta desejada ao sistema.

 Um sistema pode ser composto por elementos de diversas áreas (elétrica, mecânica, informática).

Conceitos Básicos de Sistemas

 Cada sistema é construído com uma finalidade, com um objetivo a ser atendido.

 _{Um sistema de controle de temperatura, tem como}

objetivo controlar a temperatura de um ambiente, por exemplo.

 Sistemas com diferentes configurações podem realizar a mesma tarefa.

Conceitos Básicos de Sistemas

 Os componentes básicos de um sistema são:

 Elementos de entrada – são os elementos que trazem as informações que serão processadas pelo controlador do sistema. São exemplos de elementos de entrada: sensores, botões.

 Elemento controlador – dispositivo responsável por receber os dados de entrada e aplicar a lógica que o sistema possui para que o seu objetivo possa ser atingido. Um microprocessador é um exemplo de controlador.

 Elementos de saída – são os elementos que recebem os sinais do elemento controlador e enviam esses sinais para o mundo externo. São os atuadores do sistema.

Conceitos Básicos de Sistemas

 O projeto de um sistema envolve algumas etapas que são (Bolton, 2011):

 Determinação da necessidade;

 Análise do problema;

 Definição da especificação;

 Geração de soluções possíveis;

 Seleção de uma solução adequada;

 Construção do projeto detalhado;

Projeto de um Sistema de Controle

Conceitos Básicos de Sistemas

 O modelamento de um sistema consiste em representar o sistema por meio de funções matemáticas ou por blocos funcionais (Botelho, 2011) (Bolton, 2010).

 Os modelos matemáticos permitem que simulações com o funcionamento do sistema possam ser realizadas sem a necessidade do sistema físico. Contudo, para simulação matemática é necessária a utilização das equações matemáticas que descrevem o comportamento do sistema. Essas equações devem descrever o comportamento dinâmico do sistema, portanto devem utilizar o cálculo diferêncial como forma de expressão (Botelho, 2011).

Conceitos Básicos de Sistemas

 A representação do sistema utilizando blocos funcionais permite que o funcionamento do sistema possa ser compreendido independente do elemento que realize a tarefa do bloco. Isso permite conhecer como o sistema funciona (Bolton, 2010).

Histórico dos Sistemas de Controle

 Reguladores com bóias, Grécia de 300 à 1 a.C.

 Regulador de temperatura Cornelis Drebbel (1572 – 1633).

 Regulador de pressão de Dennis Papin (1647 – 1712).

 O primeiro controlador automático industrial foi desenvolvido por James Watt, no século XVIII, para controlar a velocidade de uma máquina a vapor.

Controlador de Velocidade de Watt

Histórico dos Sistemas de Controle

 Maxwell (1868) formula a teoria de controle que descreve o comportamento dos reguladores utilizando equações diferenciais;

 Bode, Nyquist e Black, no periodo que antecedeu a 2 guerra mundial , trabalhar para desenvolver os conceitos de controle para utilizar amplificadores eletrônicos nos sistemas telefonicos (DORF e BISHOP, 2009);

Histórico dos Sistemas de Controle

 Bode, Nyquist e Black trabalhavam com seus amplificadores no domínio da frequencia, enquando na antiga União Soviética, os trabalhos na área de controle estavam inclinados para o domínio do tempo (DORF e BISHOP, 2009).

 O controle esteve presente nos processos industriais e sua utilização recebia o nome de automação.

Histórico dos Sistemas de Controle

 O conceito de automação é fundamental no papel da sociedade, pois é através dela que as industrias conceguiram atingir seus altos níveis de produtividade;

 Produtividade é igual a razão entre a saída física de bens de consumo e a entrada física de material.

Histórico dos Sistemas de Controle

 Dorf e Bishop (2009) relatam que os sistemas de controle tiverem seu desempenho impulsionado com a 2 Guerra Mundial;

 Diversas pesquisas foram realizadas para tornar a teoria de controle mais exata e os controladores mais precisos. Antes deste investimento, o ajuste dos controladores era realizado através da tentativa e do erro.

Histórico dos Sistemas de Controle

 Um dos sistemas que surgiu foi o controlador antiaéreo, onde os dados de entrada eram fornecidos pelo radar e a posição da bateria era determinada através da posição atual das aéro naves e sua posição futura.

 Após a 2 guerra mundial, os sistemas de controle foram impulsionados com os resultados apresentados por Laplace em seus estudos do controle de sistemas no domínio da frequencia.

Histórico dos Sistemas de Controle

 A teoria de controle clássica deu lugar a teoria de controle moderna, por volta da década de 1980, quando as teorias de sistemas robustos com várias variáveis começaram a receber maior atenção, em função da corrida espacial.

 Hoje vive-se o avanço dos controladores inteligêntes, de sistemas com multiplas variáveis de entrada e de saída. Estes sistemas são desenvolvidos, utilizando diversos dos preceitos propostos no início do estudo com ateoria de controle.

Teoria Clássica de Controle

 Toda teoria clássica de controle está relacionada com a resposta de frequencia e o método das raízes de um sistema;

 Ela lida com sistemas do tipo SISO (Single Input Single Output).

Teoria Moderna de Controle

 Os sistemas mdernos trabalham com diversas entradas e diversas saídas (MIMO – Multiple Inputs Multiple Outputs)

 A partir de 1980, as pesquisas realizadas em controle começaram a buscar o controle robusto e o controle otimizado (baseado em controle adaptativo e em controle com aprendizado).

Sistemas de Controle

 Controla de velocidade de Watt;

 Sistema de controle de temperatura;

Termos Básicos

Utilizados em Controle

 Variável controlada – grandeza ou condição que é medida e controlada;

 _{Variável manipulada – grandeza ou condição que}

possui seu valor alterado pelo controlador para alterar o valor da variável controlada;

 Planta – Sistema a ser controlado que desempenha uma determinada função, pode ser um dispositivo mecânico, uma caldeira para aquecimento, um reator quimíco ou uma espaçonave.

Termos Básicos

Utilizados em Controle

 Sistema – conjunto de componentes que atuam em conjunto para realizar um objetivo comum. Pode ser um sistema físico, biológico, econômico, por exemplo;

 Distúrbios – valor que tende a afetar de forma aleatória o sinal de saída do sistema. Pode ser de origem interna ou externa ao sistema.

Termos Básicos

Utilizados em Controle

 Erro – diferença entre o valor desejado e o valor atual para a variável controlada;

 _{Resposta Transitória – é o comportamento do}

sistema expresso como uma função matemática que varia ao longo do tempo;

 Erro estacionário – erro que permanece após a resposta transitória do sistema ter terminado (quando a saída do sistema para de variar).

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

 Bolton (2010) aponta que os modelos matemáticos são utilizados para descrever o comportamento do sistema, sua saída, quando um conjunto de entradas é aplicado ou quando algum de seus parâmetros é alterado.

 Os modelos dos sistemas são construídos utilizando as leis físicas que regem as interações macroscópicas entre os elementos e equações diferenciais para descrever seu comportamento.

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

 Equivalentes de sistemas mecânicos podem ser utilizados para descrever sistemas elétricos, hidraúlicos ou térmicos.

 Para descrever qualquer interação dinâmica, deve-se utilizar as leis de Newton.

 Um modelo deve relacionar as entradas e as saídas do sistema.

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

 Considerando o sistema abaixo:

Sistema massa-mola-amortecedor

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

 Qual é o modelo do sistema que descreve seu comportamento?

 _{Primeiro, deve-se deixar claro quem é a entrada e}

quem é a saída do modelo.

 Para o sistema, a entrada é a força f(t) aplicada na massa, enquando a saída é o deslocamento x(t) da massa.

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

 Para a construção do modelo, deve-se utilizar as leis físicas que regem seu comportamento.

 _{Para um sistema mecânico, deve-se utilizar a lei da}

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

 Considerando o corpo de massa m, as forças atuantes sobre ele são:

massa

f_mola famorte

cedor

Modelamento Matemático de

Sistema de Controle

Referências Bibliograficas

 BOTELHO, Wagner T.; SUYAMA, Ricardo; MARIETTO, Maria das Graças Bruno; NASCIMENTO, Alessandro. “Bases Computacionais da Ciência”, 2011.

 BOLTON, W. “Mecatrônica – uma abordagem multidisciplinar”, 2010.

 OGATA, Katsuhiko. “Engenharia de Controle Moderno” - 1998.

 DORF, Richard C; BISHOP, Robert H.; Sistemas de Controle Moderno, 2009