Este curso apresenta os principais conceitos do controle de sistemas e mostra suas vantagens e importância para a sociedade moderna. Você vai entender o que é o controle de sistemas e como o controle com realimentação funciona, e passará a perceber a sua presença em diversas situações em seu dia-a-dia, na natureza, no corpo humano e em diversos dispositivos, desde os mais simples até os mais complexos. Você vai perceber a necessidade de modelos teóricos para a análise e o projeto do controle de sistemas e aprenderá como verificar se um sistema atende a determinados requisitos de desempenho. Você também aprenderá como projetar um controle simples de modo a obter o melhor desempenho possível de um sistema de controle. Este é apenas o primeiro passo em direção a um vasto campo do conhecimento e lhe dará a base e a segurança necessárias para avançar em seus estudos no maravilhoso mundo do controle de sistemas.
Análise e Projeto
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En provenance du cours de Instituto Tecnológico de Aeronáutica
Introdução ao Controle de Sistemas
532 notes
À partir de la leçon
A necessidade de modelos teóricos
O que é Sistema? Exemplos de Sistemas. O que é Controle? Análise e Projeto. Controle em Malha Aberta e em Malha Fechada. Exemplo de Controle com Realimentação. Modelos Matemáticos.
Rencontrer les enseignants
Jackson Paul MatsuuraProfessor Associado
Departamento de Sistemas e Controle
Rubens Junqueira Magalhães AfonsoProfessor Adjunto
Departamento de Sistemas e Controle
[MÚSICA] [SOM]
Após esse vídeo, você será capaz de descrever
as duas facetas do controle de sistemas: a análise e o projeto.
Você será capaz também de descrever o controle malha aberta e o controle
malha fechada.
Você também será capaz de perceber a utilização natural do controle com
realimentação por parte dos seres humanos e de citar exemplos de controle malha
aberta e controle malha fechada encontrados seu dia-a-dia.
Muito bem, agora que você já sabe o que são requisitos de desempenho, podemos
falar das duas facetas do controle de sistemas, que são a análise e o projeto.
Na análise, nosso foco está verificar se
sistema atende ou não aos requisitos de desempenho.
Uma maneira de fazer isso é testar o sistema fazendo test-drive.
Se queremos carro que acelere rápido podemos simplesmente
testá-lo e verificar se ele é rápido o suficiente ou não.
Note no entanto que a cada teste que fazemos estamos desgastando o veículo,
consumindo combustível e gastando nosso precioso tempo.
E lembram que eu falei que controle de sistemas é coisa de preguiçoso?
Seria então o teste a forma mais eficiente de análise?
Ou poderíamos analisar o sistema com menos esforço,
menos gasto e menos tempo?
Deixemos essa pergunta aberto por enquanto.
Bem, se o sistema passar na nossa análise,
ou seja, se verificarmos que o sistema atende aos requisitos de desempenho,
não precisamos fazer mais nada.
Mas se ao realizarmos a análise, constatarmos que o nosso
sistema não atende aos requisitos precisamos de alguma forma alterar
o desempenho do sistema ou a relação entre a sua entrada e a sua saída.
Fazemos isso com o uso do que chamamos de Controle!
E o processo de definição do controle é o projeto.
O controle consiste na modificação do
comportamento do sistema ou na alteração de sua relação entrada/saída,
de modo que a nova relação passe a atender requisitos de desempenho que
o sistema não atenderia naturalmente.
Esse controle pode ser realizado malha aberta ou malha fechada.
No controle malha aberta,
ajustamos o valor da entrada com base exclusivamente na referência.
Nós não nos preocupamos verificar se a saída está realmente indo para
o valor desejado.
Nós confiamos cegamente nosso projeto.
Desse modo, se tudo ocorre perfeitamente bem temos a saída desejada.
Mas se qualquer coisa não é exatamente como previmos, teremos problema.
Digamos que é mais ou menos como planejar ir ao cinema saindo cima da hora.
Se não pegarmos trânsito nenhum, tudo bem.
Mas se dermos o azar de pegar congestionamento ou muitos
sinais fechados, ou até mesmo uma obra no caminho, já era.
No controle malha fechada, realimentamos o sinal
de saída e subtraímos esse sinal da referência, gerando sinal de erro.
E esse sinal de erro é então usado para ajustar a entrada do sistema.
Por usar uma realimentação do sinal de saída para definir o valor da entrada,
o controle malha fechada é também chamado de Controle com Realimentação.
Algumas pessoas preferem chamar a realimentação de
retroação ou de retroalimentação.
Eu não gosto muito do termo retro, então eu uso realimentação.
Recapitulando, no controle malha aberta,
a entrada depende diretamente da referência, mas não da saída.
No controle malha fechada, a entrada depende tanto da referência quanto
do sinal de saída, através do sinal de erro.
Vamos ver exemplo prático da diferença do controle
malha aberta e do controle malha fechada.
[MÚSICA] Este é o servomecanismo didático de nosso laboratório.
Sua saída é a velocidade de rotação e sua entrada é uma tensão aplicada ao motor.
Aqui ele está operando malha aberta onde o sinal de entrada foi
ajustado de acordo com a saída desejada.
Acrescentando alguns pesos
ao servomecanismo nós aumentamos seu momento de inércia.
Mas como o sistema está operando malha aberta ele não percebe essa mudança e
continua usando exatamente o mesmo sinal de entrada.
E, por isso, a velocidade diminui.
Aqui temos o servo malha fechada.
O sinal de entrada para o motor é ajustado de acordo com o erro,
que é a diferença entre o valor desejado e a velocidade real do servo.
O efeito do aumento do momento de inércia malha fechada é muito menor.
Isso porque a tendência de perder velocidade aumenta o sinal de erro e esse
aumento do sinal de erro aumenta o sinal de entrada do sistema
corrigindo essa velocidade.
Vamos dar uma olhada nos gráficos da saída do servo função do tempo.
Aqui nós temos a saída do servo malha aberta sem as massas adicionais.
Como o ganho foi ajustado perfeitamente,
a saída acompanha bem o valor desejado, que é de 2 radianos por segundo.
Com as massas, vemos que a saída do servo diminuiu bastante malha aberta,
caindo quase pela metade, devido ao momento de inércia muito maior.
Malha fechada, a saída não consegue acompanhar exatamente
a nossa referência mas é esse sinal de erro que é amplificado pela
realimentação e consegue manter o servo girando.
E podemos notar que, com o acréscimo das massas,
a diferença na saída para o sistema malha fechada é muito pequena.
Esse aumento do erro faz com que o sinal de entrada também aumente.
Vamos ver novamente o servo, mas agora simultaneamente.
Na parte de cima, temos o servo malha aberta.
Na parte de baixo, o servo malha fechada.
E você nota claramente que a diferença de velocidade é muito maior malha aberta.
[MÚSICA] Os seres
humanos utilizam o controle com realimentação intuitivamente e é
muito fácil perceber a utilização desse tipo de controle nosso dia-a-dia.
Se, de alguma forma, a saída do sistema estiver sendo comparada
com o valor desejado e a entrada do sistema for ajustada com base nesse erro,
estamos diante do controle malha fechada com o ser humano executando controle.
Por exemplo, ao verificar constantemente
a velocidade no velocímetro e fazer ajustes no pedal do acelerador,
o motorista está realizando o controle malha fechada da velocidade do veículo.
Já no caso de forno a gás, temos o controle malha aberta.
A entrada, que é o fluxo de gás,
depende da temperatura desejada mas não da temperatura real do forno.
Se alguém ficasse medindo constantemente a temperatura real do forno e
ajustasse o fluxo de gás a partir da diferença entre a temperatura desejada
e a temperatura real do forno, aí teríamos também controle malha fechada,
novamente com o ser humano fechando a malha.
Voltando ao projeto, projetar nada mais é que definir como
o sinal de entrada será gerado a partir da referência ou a partir do sinal de erro,
de modo que o sistema passe a atender aos requisitos de desempenho.
Outras palavras, projetar é definir como esse bloco que chamamos
de ajuste realmente irá funcionar.
Assim como na análise, podemos fazer isso experimentalmente
testando diferentes opções e verificando a saída para cada uma delas.
Mas isso parece ser menos eficiente no projeto do que já era na análise.
De qualquer forma, agora você já entendeu o que é o Controle de Sistemas.
Ele basicamente consiste na análise do projeto, com o objetivo de verificar
e adequar o desempenho ou o comportamento de sistema aos requisitos de desempenho.
Na análise, verificamos se o sistema atende aos requisitos.
No projeto, ajustamos o desempenho para que ele atenda aos
requisitos e fazemos isso projetando o controle do sistema.
E esse controle pode ser realizado malha aberta ou malha fechada.
Agora você já deve ser capaz de descrever as duas facetas do controle de sistemas.
A análise e o projeto.
Você também deve ser capaz de descrever o controle malha aberta e o controle
malha fechada.
Além disso, você deve ser capaz de
perceber a utilização natural do controle com
realimentação por parte dos seres humanos e de citar exemplos de controle
malha fechada e de controle malha aberta encontrados no seu dia-a-dia.
No próximo vídeo veremos exemplo de controle malha fechada mais detalhes.
Até lá!
[SOM]
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