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Introdução a Controle
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Introdução a Controle
Definições e conceitos
- Processo
- Conjunto de etapas a serem seguidas para se realizar o controle
- sistema
- Malha Aberta
- sistema sem realimentação
- Malha Fechada
- sistema com realimentação
- Conjunto de equipamentos que atuam para realizar o processo
- Malha Aberta
- Sinal
- Conjunto de dados (informações)
- Ex.: conjunto do registro de notas de uma turma, conjunto de daods coletados na medição de temperatura, etc.
- Set point
- Valor desejado (valor de referência) que será comparado com a variável de processo
- Erro
- Diferença entre o valor atual da variável de processo e o set point
- Sensor e Transdutor
- Sensor é um instrumento de medição da variável controlada. Essencial para o controle em malha fechada
- Transdutor é um instrumento que além de medir a variável controlada, pode transformar sua grandeza para que a mesma seja interpretada pelo sistema.
- Controlador
- Instrumento que realizará a interpretação da comparação entre o set point e a variável controlada, mandando um sinal de controle para o atuador para que haja eliminação do erro
- Atuador
- Instrumento que atua diretamente no processo, modificando a variável manipulada de acordo com o sinal de controle para corrigir a variável controlada
- Comparador
- Instrumento que realiza a comparação entre a variável de processo e o set point
- Variável Controlada
- É a variável de interesse, a variável que será controlada
- Variável Manipulada
- É a variável que será modificada para que se altere a variável controlada.
- Variável de Processo
- É a variável que será realmente comparada com o set point
- Ex.: no controle de nível, não é o valor do nível que será comparado com o set point, e sim um valor equivalente na forma de uma grandeza elétrica
- Perturbações ou Distúrbios
- quaisquer sinais que afetem a variável controlada
- Internos
- perturbações de dentro do sistema
- Externos
- perturbações de fora do sistema
- Controle
- Manual
- Sistema em que o ser humano é a peça chave, comparando, controlando e atuando com base nos sentidos
- Automático
- Sistemas que utilizam dispostivos que realizam o controle de forma contínua e automática
- Consiste em atuar em um sistema de acordo com o erro resultante da comparação realizada entre o valor de uma variável e um valor desejado, de modo a corrigir tal erro.
- Manual
- Realimentação
- Medida pela qual há comparação entre a variável controlada e o set point
- Realimentação positiva
- consiste num “reforço”; aumenta o erro.
- Realimentação negativa
- consiste numa “correção”; a ação diminui o erro. A ação da realimentação negativa pode ser uma ação direta ou uma ação reversa.
- Realimentação positiva
- Medida pela qual há comparação entre a variável controlada e o set point
- Processo
Características dinâmicas
- Estabilidade
- Sistema estável
- Possui uma resposta limitada para uma entrada limitada
- Ex.: observando um pêndulo, um sinal de entrada aplicado levará a uma resposta limitada (a posição inicial do pêndulo após um tempo).
- Sistema instável
- possui uma resposta ilimitada para uma entrada limitada
- Ex.: observando um pêndulo invertido, qualquer sinal de entrada aplicado levará a uma resposta ilimitada (a posição inicial do pêndulo nunca será retornada).
- Estabilidade global
- sinais de entrada limitados resultarão numa única resposta.
- Ex.: pêndulo normal.
- Estabilidade marginal
- qualquer sinal de entrada pode desestabilizar o sistema.
- Ex.: pêndulo invertido em estabilidade.
- Estabilidade local
- sinais de entrada limitados resultarão em várias respostas limitadas.
- Ex.: Ao aumentar a vazão de gás de um forno, a tempera se estabiliza em certo ponto, dependendo da vazão, mas não necessariamente sempre no mesmo ponto (se colocar uma vazão maior, ele se estabilizará também, mas em outra temperatura).
- Sistema estável
- Sinais típicos de teste
- Função degrau
- é uma função que apresenta uma mudança brusca de valor.
- Ex.: entrada degrau de um interruptor de lâmpada (interruptor ligado, lâmpada acesa; interruptor desligado, lâmpada apagada)
- Função impulso
- se caracteriza por adquirir um valor muito grande em um período de tempo muito pequeno
- Função rampa
- função que obedece à função da reta. Ela varia conforme a passagem do tempo, sempre proporcional ao mesmo, possuindo vários valores até se chegar ao valor desejado
- Função degrau
- Regime transitório
- Parâmetros
- Tempo de atraso
- tempo para que a resposta alcance a metade de seu valor final
- Tempo de subida
- tempo para que a resposta passe de 10% a 90%, de 5% a 95% ou de 0% a 100% do valor final
- Tempo de pico
- tempo para que a resposta atinja o primeiro overshoot
- Overshoot
- o valor máximo de pico da curva de resposta.
- Caracteriza a estabilidade do sistema (quanto maior o overshoot, menor a estabilidade)
- Tempo de acomodação
- é o tempo para que a curva de resposta se estabilize dentro de 2% a 5% em torno do valor final (set point).
- Tempo morto
- tempo para que o sistema comece a responder diante de uma variação na variável manipulada
- Tempo de atraso
- Regime em que o sistema ainda não alcançou a estabilidade e ainda há muita variação do sinal de saída, pois este ainda está se acomodando ao sinal de entrada, ou à variação do mesmo
- Parâmetros
- Regime permanente
- Regime em que o sistema já está estável, o sinal de saída possui pouca variação e já se acomodou ao sinal de entrada
- Possui o erro de regime permanente
- Estabilidade
Estratégias de Controle
- On-Off
- ação de controle descontína que só trabalha com dois estados (on e off)
- funciona em uma de faixa de tolerância com limite superior e inferior para determinar a mudança entre seus dois estados
- Ex.: ar condicionado, ferro de passar roupa
- Não possui realimentação negativa
- PID
- Ação Proporcional
- ação é proporcional ao erro
- ação direta
- se o erro de off-set for positivo, a ação aumenta; se o erro de off-set for negativo, a ação diminui.
- Ex.: a temperatura de um forno é controlada pela válvula de vazão de gás normal aberta (NA). Se a temperatura estiver acima do set point (off-set positivo), a ação tem que aumentar, fazendo com que válvula se feche mais. Se a temperatura estiver abaixo do set point (0ff-set negativo), a ação deve diminuir, fazendo com que a válvula se abra mais.
- ação reversa
- se o erro de off-set for positivo, a ação diminui; se o erro de off-set for negativo, a ação aumenta.
- Ex.: A temperatura de um forno é controlada pela válvula de vazão de gás normal fechada (NF). Se a temperatura estiver acima do set point (off-set positivo), ação tem que diminuir, fazendo com que a válvula se feche mais. Se a temperatura estiver abaixo do set point (0ff-set negativo), a ação tem que aumentar, fazendo com que a válvula se abra mais.
- ação direta
- Ganho Proporcional
- Se o ganho for muito pequeno, mesmo um grande erro não vai gerar uma ação de controle.
- Se o ganho for muito grande, mesmo um pequeno erro vai gerar uma ação de controle proporcional muito grande.
- Banda proporcional
- faixa na qual a proporcionalidade é mantida
- evolução do controle on-off
- Elimina oscilações do controle on-off
- Possui erro de off-set
- Erro de regime permanente originário do próprio controle. Ou seja, após a ação proporcional, a variável controlada atinge um outro ponto de equilíbrio, que não é o set point.
- Erro de off-set positivo
- variável controlada possui um valor maior que o set point
- Erro de off-set negativo
- variável controlada possui um valor menor que o set point
- ação é proporcional ao erro
- Ação integral
- Elimina o erro de off-set
- Soma o erro ao longo do tempo, corrigindo o valor da variável manipulada ao somar o erro a esta em intervalos regulares. Assim, quanto mais tempo o erro durar, maior a ação integral
- Tempo integral
- inverso do ganho integral
- Tempo integral pequeno: a correção acontecerá lentamente, resultando numa menor oscilação, mas em um tempo de acomodação maior.
- Tempo integral grande: a variável manipulada será corrigida de acordo com o desvio da variável controlada de uma vez só, e a correção pode ser exagerada, levando à oscilação.
- Ação derivativa
- proporcional à velocidade de variação do erro
- diminui a velocidade de variação da variável controlada
- Ex.: se a variável controlada sofre uma variação em degrau, a ação derivativa faz com que a variável manipulada reaja na forma da função impulso.
- só atua quando há variação no erro, ou seja, se o processo estiver estável, não haverá ação derivativa, mesmo que ainda haja erro de off-set.
- Utiliza 3 ações: proporcional, integral e derivativa. Essas ações são expressas matematicamente e atuam com ganhos
- Ação Proporcional
- On-Off
Amplificadores Operacionais
- São formados por amplificadores operacionais em cascata
- Estágio de entrada
- circuito amplificador diferencial (que amplifica a diferença de tensão entre duas entradas (a entrada Não Inversora e a entrada Inversora)
- Estágios intermediários
- responsáveis pelos ganhos de tensão e corrente
- Estágios de saída
- Apresenta uma saída que pode ser negativa ou positiva
- Estágio de entrada
- Alimentação
- Existe uma fonte de alimentação positiva e outra negativa
- Alimentação com polaridade dual
- o amp op possui tensões de alimentação iguais em valor e opostas em polaridade
- Energização de uma conexão com a outra conexão ligada ao terra
- somente a tensão positiva poderá ser utilizada (não há saída negativa).
- Alimentação com polaridade dual
- É a alimentação que especifica o limite da tensão de saída.
- Há uma queda de tensão de 5% para o consumo interno do amp op
- Existe uma fonte de alimentação positiva e outra negativa
- Operação básica do amp op
- A diferença entre as entradas é amplificada com um ganho "infinito" em malha aberta
- Parâmetros elétricos e impedâncias
- Impedância de entrada
- idealmente: infinita. Realidade: é muito alta.
- Impedância de saída
- Idealmente: nula. Realidade: é muito baixa
- Ganho de tensão de malha aberta – Avd
- Idealmente: infinito. Realidade: é muito alto.
- Corrente de curto-circuito da saída
- corrente de saída.
- Resposta em frequência - a Largura de Banda
- capacidade do amp op de apresentar o mesmo alto ganho para qualquer valor de frequência.
- Tensões e Correntes de Offset
- tensão de offset da saída
- valor de tensão diferente de zero obtido na prática quando teoricamente a tensão de entrada é igual a 0 V
- pode ser afetada por duas condições independentes:
- tensão de offset de entrada
- (queda de tensão de desequilíbrio causado pela resistência interna do amp op que é amplificada na saída
- corrente de offset de entrada
- corrente gerada por um desequilíbrio nas correntes de polarização do circuito amplificador diferencial que gera uma pequena queda de tensão na impedância de entrada, sinal que é amplificado na saída do amp op.
- tensão de offset de entrada
- tensão de offset da saída
- Outros parâmetros
- Stew Rate (Taxa de Inclinação)
- é o limite de variação do valor da tensão de saída
- Distorção da taxa de inclinação
- A evolução do sinal de saída não obedece à do sinal de entrada.
- Stew Rate (Taxa de Inclinação)
- Impedância de entrada
- Operação diferencial e modo-comum
- Operação diferencial
- as saídas recebem sinais de entrada diferentes
- sinal resultante é a diferença entre as duas entradas
- Modo-comum
- as saídas recebem o mesmo sinal de entrada
- sinal resultante é a média das duas entradas
- Operação diferencial
- Razão de rejeição de modo-comum
- Característica de baixa amplificação de sinais comuns às duas entradas
- razão entre o ganho da operação diferencial e o ganho da operação Modo-comum
- Tensão de saída
- Combinação das tensões resultantes da operação diferencial e da operação Modo-comum:
- São formados por amplificadores operacionais em cascata
Comparadores
- Comparador Simples
- Básico Não-inversor
- Com referência igual a 0
- limiar de transição em 0 (V+ > 0, Vs=VCC; V+ < 0, Vs=GND/-VCC)
- Com referência diferente de 0
- limiar de transição em Ref (V+ > Ref, Vs=VCC; V+ < Ref, Vs=GND/-VCC)
- A porta inversora apresenta a tensão de referência e a porta não-inversora é a entrada do comparador
- Com referência igual a 0
- Básico Inversor
- Com referência igual a 0
- limiar de transição em 0 (V- > 0, Vs=GND/-VCC; V- < 0, Vs=VCC)
- Com referência diferente de 0
- limiar de transição em Ref (V- > Ref, Vs=GND/-VCC; V- < Ref, Vs=VCC)
- A porta não-inversora apresenta a tensão de referência e a porta inversora é a entrada do comparador
- Com referência igual a 0
- Se baseia na equação de amp ops, de forma que o ganho infinito em malha aberta faz com que qualquer diferença de tensão entre as entradas seja amplificada à saturação, delimitada pela alimentação do comparador
- Básico Não-inversor
- Comparador com histerese
- Região de transição maior (histerese)
- Realimentação positiva na porta não-inversora (que será a referência)
- a referência segue a polaridade da saída, possuindo um limite superior e um inferior
- deslocamento dos pontos de comutação
- Acrescenta-se uma fonte e um resistor externos na porta não-inversora para mudar o valor da tensão de referência
- Comparadores com histerese não-inversores
- A entrada vai ser a porta não-inversora, mas a realimentação continua a ser na porta não-inversora
- Deslocamento dos pontos de comutação em comparadores não-inversores
- Acrescenta-se uma fonte e um resistor externos na porta inversora para mudar o valor da tensão de referência
- Comparador Simples
Informationen
- Beschreibung
- 3º ano Automação Industrial - IAC Mindmap am Introdução a Controle, erstellt von Beatriz Miyuri Koshikawa am 17/10/2017.
- Erstellt von
- Beatriz Miyuri Koshikawa
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