Prof. Josemar dos Santos - PDF
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Maria de Lourdes Nobre Coimbra
1 Engenharia Mecânica - FAENG Sumário SISTEMAS DE CONTROLE Definições Básicas; Exemplos. Definição; ; Exemplo. Prof. Josemar dos Sanos Sisemas de Conrole Sisemas de Conrole Objeivo: Inroduzir ferramenal maemáico, conceios fundamenais e algumas écnicas de Modelagem de Sisemas Dinâmicos e de Engenharia de Conrole Moderno; Uilização do Scilab como ferramena compuacional de engenharia para aplicação dos conceios e écnicas de conrole e modelagem. Emena: Inrodução à engenharia de conrole de sisemas. Preliminares maemáicas: Revisão de Números Complexos os e. Conceios e écnicas de modelagem de sisemas. Funções de ransferência e diagramas de blocos. Criérios de desempenho, esabilidade e realimenação de sisemas. Técnicas de sínese de conrole pelo méodo do lugar das raízes e de resposa em freqüência. Projeo de compensadores. 3 Livro Texo: Nise, N. Engenharia de Sisemas de Conrole, 3a edição, LTC Ediora,. Bibliografia Complemenar: Franklin, G.; Powell, J.D. Feedback Conrol of Dynamic Sysems, Prenice-Hall,5. Ogaa, K. Engenharia de Conrole Moderno, 4a edição, Prenice- Hall, 3. Dorf, R.C. Sisemas de Conrole Moderno, LTC Ediora,. 4
2 Sisemas de Conrole Criério de Avaliação P*,4+P*,4+AT*, 4+AT* Definições Básicas; Exemplos. Definição; ; Exemplo. 5 6 Conrole Conrole é o ao de comandar, dirigir, ordenar, manipular alguma coisa ou alguém. Assim, um sisema de conrole é um conjuno de componenes que em por função dirigir alguma coisa ou alguém. Grandezas que cruzam a froneira imaginária de um sisema podem ser chamadas de enradas ou saídas. Enradas são grandezas que esimulam, exciam um sisema. Também chamadas de Referência ou do inglês, Se Poin SP. Saídas são as reações, resposas, do sisema a um ou mais esímulos exernos. Também chamadas de Variável do Processo ou do inglês, Process Variable PV. 7 8
3 Grandezas que cruzam a froneira imaginária de um sisema podem ser chamadas de enradas ou saídas. Variável manipulada é uma grandeza ou condição que é variada pelo conrolador para que modifique o valor da variável conrolada. Do inglês, Manipulaed Variable abe MV. Grandezas que cruzam a froneira imaginária de um sisema podem ser chamadas de enradas ou saídas. Perurbações ou disúrbios são sinais que endem a afear adversamene o valor da saída do sisema. Se a perurbação for gerada denro do sisema, ela é denominada perurbação inerna, enquano que uma perurbação disúrbio exerna é gerada fora do sisema e consiui uma enrada. 9 Sisema de conrole realimenado é um sisema que maném uma deerminada relação enre a saída e alguma enrada de referência comparando-as e uilizando a diferença como um meio de conrole. Exemplo: um sisema de conrole da emperaura ambiene. Os sisemas de conrole realimenados não esão limiados a aplicações de Engenharia. Um exemplo é o sisema de conrole da emperaura do corpo humano, que é um sisema alamene avançado. Sisema de conrole a malha abera SCMA é aquele sisema em que a saída não em nenhum efeio sobre a ação de conrole. Em ouras palavras, em um SCMA a saída não é medida nem realimenada para comparação com a enrada. Exemplo: máquina de lavar roupas.
4 Sisema de conrole a malha fechada SCMF Nome dado ao sisema de conrole realimenado. Num SCMF a diferença enre a referência sinal de enrada e a medida da variável conrolada sinal realimenado, ambém chamada de sinal de erro auane, é inroduzido no conrolador de modo a reduzir o erro e razer a saída do sisema a um valor desejado. O ermo conrole a malha fechada sempre implica o uso de ação de conrole realimenado a fim de reduzir o erro do sisema. SCMF x SCMA 3 4 Componenes de um Sisema de Conrole Conceios Básicos SP MV PV Conrolador Auador Plana ± Sensor Consise em aplicar as leis físicas fundamenais de ciência e engenharia para se ober uma represenação maemáica de um sisema. Circuios Eléricos Lei de Ohm e as Leis de Kirchoff Sisemas Mecânicos Leis de Newon Enrada Descrição maemáica Saída 5 6
5 Conceios Básicos Equações Diferenciais Conceios Básicos : Exemplo Circuio RLC a d n y n d y a a dy ay b d m x m d x b b dx n n + n n = m m + m m bx d d d d d d y - saída do sisema x - enrada do sisema 7 8 Conceios Básicos : Exemplo Conceios Básicos : Exemplo Tabela - Relações Tensão-correne, Tensão-carga, e Impedâncias de capaciores, resisores e induores Componene Tensão-correne Correne-ensão Tensão-carga Impedância Zs = Vs/Is Admiância Ys = Is/Vs Circuio RLC di L + Ri + i τ dτ = v d C Induor Noa: ν = V vols, i = A ampères, q = Q coulombs, C = F farads, R = Ω ohms, G = mhos, L = H henries 9
6 Conceios Básicos : Exemplo Circuio RLC Mudança de variável correne para carga d q dq L + R + q = v d d C Conceios Básicos : Exemplo Circuio RLC Uilizando a relação ensão-carga da Tabela. q = Cv C d VC dvc LC + RC + v v C = d d Conceios Básicos : Exemplo Circuio RLC d LC v C dvc + RC + v v C d d = Conceios Básicos : Exemplo Circuio RLC d v dv LC C C + RC + v v C = d d Aplicar a 3 4
7 Méodo para solucionar equações diferenciais ordinárias Esquemaicamene É uma operação semelhane à ransformada logarímica Equações diferenciais são ransformadas em equações algébricas Realiza-se operações no domínio s Reorna ao domínio aravés da ransformada inversa 5 6 Maemáico francês LAPLACE invenou um méodo para resolver equações diferenciais da seguine forma Muliplica cada ermo da equação diferencial por e -s Inegra cada ermo em relação ao empo de ZERO a INFINITO s é uma consane de unidade /empo Conceios Básicos: F s s = L [ f ] = f e d Em que s = σ + jω é uma variável complexa Onde: Fs - símbolo da ransformada de Laplace f - função conínua em < < infinio L - operador de Laplace 7 8
8 Conceios Básicos: Transformada Inversa de Laplace L [ fs ] f = Conceios Básicos: Tabela de Onde: f - função que não é definida para < L - - operador da inversa de Laplace SOMA DE DUAS FUNÇÕES L[ + f ] = L[ f ] + L[ f ] = F s F s f + 3 FUNÇÃO COM ATRASO NO TEMPO = [ s ] L f e F s - MULTIPLICAÇÃO POR UMA CONSTANTE [ af ] = a f = af s L L[ ] s s s L[ f ] = f e d = e f e d s [ = ] L f e F s 3 3
9 4 DERIVADA PRIMEIRA DE UMA FUNÇÃO L df sf s f onde f f = : = = d 5 DERIVADA SEGUNDA DE UMA FUNÇÃO L d f d = s F s sf df d onde d : d f = df df L d d s s s = e d = f e d + f e = s f df L = sf s f d L [ f ] 33 φ = df φ s = sf s f d d f d d d s s = φ = φ φ L L[ ] 34 5 DERIVADA SEGUNDA DE UMA FUNÇÃO 6 DERIVADA N-ÉSIMA DE UMA FUNÇÃO d f L d = s [ sf s f ] φ = s F s sf f ' L d n n n n n d f s F s S f S d d f n =... f dd 35 36
10 Referências Bibliográficas BEGA, E. A. Organizador. Insrumenação Indusrial a. ed. Rio de Janeiro: Inerciência, p. FRANKLIN, G.F., POWELL, J.D., EMAMI-NAEINI, A. Feedback Conrol of Dynamic Sysems 3a. ed. USA: Addison-Wesley Publishing Company, p. GARCIA, CLAUDIO. Modelagem e Simulação a. ed. São Paulo: EDUSP, p. MARLIN, T. Process Conrol - Designing Processes and Conrol Sysems for Dynamics Performance a. ed. USA: McGraw-Hill, p. NISE, N.S. Engenharia de Sisemas de Conrole 3a. Edição ed. São Paulo: LTC,. 695 p. OGATA, K. Engenharia de Conrole Moderno 4a. ed. São Paulo: Pearson - Prenice Hall, p. 37