Introdução a controle digital de sistemas dinâmicos

Este post faz parte da série Controle digital de sistemas dinâmicos. Leia também os outros posts da série:

Qual é o objetivo deste artigo?

 

Olhando para um passado não muito distante, é possível perceber que, com o passar do tempo, houve um grande avanço no campo correspondente à teoria que abrange o estudo do comportamento de sistemas dinâmicos, comumente chamada de teoria de controle. Obviamente, a evolução citada ocorreu, e ainda ocorre, em virtude de uma série de fatores, de modo que pode-se ressaltar o reforço proveniente das ferramentas matemáticas nos seus diversos níveis de complexidade voltadas para o estudo e análise de tópicos intrínsecos ao tema citado. Além disso deve-se dar a devida importância aos recursos computacionais (pretende-se utilizar esta nomenclatura para referir-se a computadores, CLPs, microcontroladores, entre outros), que por sua vez, encontram-se presentes em aplicações existentes tanto em ambientes acadêmicos quanto dentro das indústrias.

 

Desta maneira, define-se como objetivo deste artigo, o início de uma série voltada para a apresentação de aspectos relacionados à teoria de controle, tendo como foco a sua utilização mediante ao uso dos recursos computacionais citados anteriormente.

 

 

Quais são as vantagens que podem ser obtidas ao utilizar recursos computacionais em malhas de controle de sistemas dinâmicos?

 

 

Não é exagero afirmar que existem uma série de vantagens na utilização destes elementos, que estendem-se desde a capacidade dos mesmos de proporcionarem um cenário propício tanto para a implementação de várias técnicas de controle (já que podem executar cálculos complexos e efetuar ações de controle com rapidez), quanto para a resolução de questões operacionais, relacionadas às ferramentas de segurança, registro, tomadas de decisão, gerenciamento de alarmes, comunicação com sistemas de supervisão, entre outras.

 

Além das vantagens citadas, pode-se ressaltar também o custo empregado em um recurso computacional. Obviamente, os diversos elementos utilizados nas indústrias para realizar o controle dos processos existentes dentro das mesmas, tendem a possuir um preço de aquisição elevado. No entanto, com o advento e popularização de estruturas baseadas no funcionamento de microcontroladores e de baixo custo, tornou-se mais fácil realizar uma vasta gama de aplicações dos mais variados níveis de complexidade, acadêmicas e industriais.

 

A literatura comumente chama este tipo de estrutura de controle (onde utiliza-se um recurso computacional) de controle digital. Esta nomenclatura corrobora com a ideia de que, o elemento em questão, possa desempenhar a função do controlador (ou compensador) na malha de controle de um determinado sistema, conforme o esquema simplificado apresentado na figura 1.

 

Malha de controle com um controlador digital.
Figura 1 - Malha de controle com um controlador digital.

 

 

Quais são as implicações teóricas a serem ressaltadas quando utiliza-se um controlador digital ?

 

Conforme dito anteriormente, pode-se afirmar que os sistemas de controle modernos incluem, na maioria das vezes, um elemento de controle digital, como, por exemplo, um computador, microcontrolador ou PLC, para auxiliar e até mesmo gerir as tarefas necessárias para a obtenção de um determinado resultado. Um ponto importante e que deve ser ressaltado, é o fato de que, que estes dispositivos trabalham com os chamados sinais de tempo discreto (também chamado de sinais discretos no tempo ou simplesmente, sinais discretos, estes consistem em sinais definidos apenas em determinados instantes de tempo) cujo comportamento é regido por um relógio, comumente referenciado como clock.

 

Representação de um sinal de tempo discreto.
Figura 2 - Representação de um sinal de tempo discreto.

 

É evidente que, conforme o intervalo entre os instantes de tempo nos quais os sinais estão definidos, é reduzido o sistema como um todo, tende a comportar-se de maneira semelhante a um sistema de controle cujos sinais são definidos em intervalos de tempo contínuos, no entanto, esta proposição implica em um aumento de custos de conversão e de esforços computacionais, como será demonstrado posteriormente.

 

Efeito da diminuição do intervalo de tempo entre os instantes em que o sinal está definido.
Figura 3 - Efeito da diminuição do intervalo de tempo entre os instantes em que o sinal está definido.

 

Sendo assim, é de extrema importância que esta teoria, direcionada para o controle de sistemas discretos (ou controle de sistemas de tempo discreto), muitas vezes chamado na literatura de controle digital, explique de maneira coerente e clara, quais são as consequências da existência destes tipos de sinais sobre a dinâmica dos sistemas. 

 

 

Como é a estrutura de um controlador digital ?

 

Um ponto importante que deve ser ressaltado é que, nos casos onde utiliza-se um elemento digital para realizar a função de um controlador em um determinado sistema, geralmente ocorre a existência simultânea de alguns componentes que operam com sinais discretos e outros que atuam por meio de sinais contínuos. Portanto, nota-se a necessidade do emprego de conversores analógico-digitais (também chamados de conversores A/D) e de conversores digitais-analógicos (conhecidos como conversores D/A) para que ocorra a adequação dos sinais existentes em uma malha de controle aos elementos intrínsecos à mesma.

 

Normalmente, os sinais de entrada no sistema são contínuos no tempo, portanto, estes devem ser amostrados e convertidos em sinal digital, por meio do conversor A/D citado anteriormente e levado ao controlador digital. No entanto, na saída do mesmo, os sinais digitais são convertidos em analógicos por meio do conversor D/A e entregues à planta ou ao processo que esta sendo controlado.

 

Representação dos conversores de sinais na malha de controle.
Figura 4 - Representação dos conversores de sinais na malha de controle.

 

 

Nos próximos artigos...

 

A intenção da construção desta série consiste em produzir um material de fácil entendimento e que possa ser aproveitado para auxiliar na compreensão dos fenômenos existentes em malhas de controle que envolvem um controlador digital. Portanto, pretende-se apresentar conceitos teóricos de maneira bastante clara e propor alguma reprodução prática, quando possível. No próximo artigo, abordaremos o conceito de amostragem.

 

Esperamos que você tenha gostado deste conteúdo, sinta-se à vontade para nos dar sugestões, críticas ou elogios. Deixe seu comentário abaixo.

 

 

Referências

 

MAYA, Paulo Alvaro, LEONARDI, Fabrizio. Controle Essencial. Editora Prentice Hall

 

OGATA, Katsuhiko. Discrete-time Control Systems. Editora Prentice Hall, 2ª Edição

 

CASTRUCCI, Plínio, SALES, Roberto Moura. Controle Digital.Editora Edgard Blucher LTDA

 

NISE, Norman. Control Systems Engineering. Editora LTC, 6ª Edição

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Sou engenheiro eletricista graduado com ênfase em Controle e Automação pela Universidade Federal do Espírito Santo - UFES e Técnico em Eletrotécnica pelo Instituto Federal do Espírito Santo - IFES. Me interesso por todas as vertentes existentes dentro da Engenharia Elétrica, no entanto, as áreas relacionadas à automação e instrumentação industrial possuem um significado especial para mim, assim como a Engenharia de Manutenção que na minha opinião é um setor fascinante.

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