APOSTILA DA DISCIPLINA automação

Prévia do material em texto

Professor Me. Lucas Delapria Dias dos Santos
AUTOMAÇÃO E CONTROLE
2023 by Editora Edufatecie. Copyright do Texto C 2023. Os autores. Copyright C Edição 2023 Editora Edufatecie.
O conteúdo dos artigos e seus dados em sua forma, correção e confiabilidade são de responsabilidade exclusiva
dos autores e não representam necessariamente a posição oficial da Editora Edufatecie. Permitido o download da 
obra e o compartilhamento desde que sejam atribuídos créditos aos autores, mas sem a possibilidade de alterá-la 
de nenhuma forma ou utilizá-la para fins comerciais.
 REITORIA Prof. Me. Gilmar de Oliveira
 DIREÇÃO ADMINISTRATIVA Prof. Me. Renato Valença 
 DIREÇÃO DE ENSINO PRESENCIAL Prof. Me. Daniel de Lima
 DIREÇÃO DE ENSINO EAD Profa. Dra. Giani Andrea Linde Colauto 
 DIREÇÃO FINANCEIRA Eduardo Luiz Campano Santini
 DIREÇÃO FINANCEIRA EAD Guilherme Esquivel
 COORDENAÇÃO DE ENSINO, PESQUISA E EXTENSÃO Profa. Ma. Luciana Moraes
 COORDENAÇÃO ADJUNTA DE ENSINO Profa. Dra. Nelma Sgarbosa Roman de Araújo
 COORDENAÇÃO ADJUNTA DE PESQUISA Profa. Ma. Luciana Moraes
 COORDENAÇÃO ADJUNTA DE EXTENSÃO Prof. Me. Jeferson de Souza Sá
 COORDENAÇÃO DO NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Prof. Me. Jorge Luiz Garcia Van Dal
 COORDENAÇÃO DE PLANEJAMENTO E PROCESSOS Prof. Me. Arthur Rosinski do Nascimento
 COORDENAÇÃO PEDAGÓGICA EAD Profa. Ma. Sônia Maria Crivelli Mataruco
 COORDENAÇÃO DO DEPTO. DE PRODUÇÃO DE MATERIAIS DIDÁTICOS Luiz Fernando Freitas
 REVISÃO ORTOGRÁFICA E NORMATIVA Beatriz Longen Rohling 
 Carolayne Beatriz da Silva Cavalcante
 Caroline da Silva Marques 
 Eduardo Alves de Oliveira
 Isabelly Oliveira Fernandes de Souza
 Jéssica Eugênio Azevedo
 Louise Ribeiro 
 Marcelino Fernando Rodrigues Santos
 Vinicius Rovedo Bratfisch
 PROJETO GRÁFICO E DIAGRAMAÇÃO Bruna de Lima Ramos
 Carlos Firmino de Oliveira
 Hugo Batalhoti Morangueira
 Giovane Jasper 
 Vitor Amaral Poltronieri
 ESTÚDIO, PRODUÇÃO E EDIÇÃO André Oliveira Vaz 
 DE VÍDEO Carlos Henrique Moraes dos Anjos
 Pedro Vinícius de Lima Machado
 Thassiane da Silva Jacinto
 FICHA CATALOGRÁFICA
 
 Dados Internacionais de Catalogação na Publicação - CIP
 S237a Santos, Lucas Delapria dos
 Automação e controle / Lucas Delapria dos Santos.
 Paranavaí: EduFatecie, 2024.
 102 p.: il. Color.
 
 1. Automação industrial. 2. Controle automático. 
 I. Centro Universitário UniFatecie. II. Núcleo de Educação 
 a Distância. III. Título. 
 
.
 CDD: 23. ed. 629.8
 Catalogação na publicação: Zineide Pereira dos Santos – CRB 9/1577
As imagens utilizadas neste material didático 
são oriundas do banco de imagens 
Shutterstock .
3
AUTOR
Professor Me. Lucas Delapria Dias dos Santos
Olá, estudante, tudo bem? Sou o professor Lucas, e é um prazer fazer parte desta 
caminhada com vocês! 
Sou engenheiro eletricista, formado pela Universidade Estadual de Maringá, e 
engenheiro de produção, pelo Centro Universitário de Maringá (UniCesumar). Possuo 
pós-graduação em engenharia e segurança do trabalho, MBA em Gestão da Qualidade, e 
mestrado em bioenergia e energias renováveis, também pela UEM. 
Atuo na docência desde 2018, já tendo lecionado em cursos de graduação e pós-
graduação, onde tive a oportunidade de desenvolver materiais didáticos, banco de questões 
e vídeo aulas para as mais diversas áreas. Atualmente, sou supervisor de engenharia no 
quarto maior abatedouro de aves do Brasil, além de atuar como professor, tutor, orientador 
de pós-graduação, avaliador de cursos pelo MEC/INEP, e realizar trabalhos de perícias 
judiciais para o estado do Paraná. 
Informações e contato:
 Currículo Plataforma Lattes: http://lattes.cnpq.br/2332132875006556
Professor Me. Lucas
Delapria Dias 
dos Santos
http://lattes.cnpq.br/2332132875006556
4
APRESENTAÇÃO
Na sinfonia da vida moderna, os sistemas de regulação desempenham o papel de 
maestros invisíveis, coordenando uma complexa harmonia de atividades em todos os cantos 
do mundo. Desde o lançamento de foguetes ao espaço até o controle da temperatura em 
nossos lares, esses sistemas automatizados são cruciais para nossa existência cotidiana. 
Este material é uma exploração fascinante desse mundo, onde o controle é a chave para 
desbloquear um vasto espectro de possibilidades.
No primeiro capítulo, mergulharemos nas definições fundamentais dos sistemas 
de controle, explorando suas vantagens, história e as complexidades envolvidas em sua 
implementação. Dos lançamentos dramáticos de foguetes ao espaço até a regulação 
dos níveis de açúcar no sangue dentro de nossos próprios corpos, examinaremos como 
esses sistemas permeiam desde os avanços tecnológicos extremos até os aspectos mais 
mundanos de nossas vidas.
No segundo capítulo, investigaremos a evolução dos sistemas de controle ao 
longo da história, introduzindo conceitos essenciais para projetos na disciplina de teoria de 
controle. Com exemplos práticos, como o projeto de sistemas de suspensão para veículos 
automotivos, exploraremos diversas estruturas de controladores e os princípios subjacentes 
ao seu funcionamento.
Na terceira seção, adentraremos o mundo da simulação como uma ferramenta 
crucial para analisar e avaliar sistemas complexos. Desde a otimização prévia até a análise 
de cenários extremos, examinaremos como os modelos simplificados replicam o mundo 
real, suas limitações e aplicações em diversas áreas, incluindo treinamento virtual e ajuste 
de escala temporal.
Por fim, no quarto capítulo, exploraremos o funcionamento dos sistemas de 
automação industrial, desde a tomada de decisões em situações diversas até o papel 
crucial dos dispositivos programáveis. Ao desvendar os segredos por trás das operações 
de produção e da automação de tarefas, mergulharemos em um universo fascinante de 
aplicação prática dos sistemas de controle em diferentes áreas da indústria moderna.
Prepare-se para uma viagem pelo mundo da automação industrial!
5
SUMÁRIO
Tecnologias e sistemas automatizados
Sistemas dinâmicos e modelagem
Controle clássico e moderno
Introdução a automação e controle – 
fundamentos históricos
Professor Me. Lucas Delapria Dias dos Santos
INTRODUÇÃO 
A AUTOMAÇÃO 
E CONTROLE – 
FUNDAMENTOS 
HISTÓRICOS1UNIDADEUNIDADE
PLANO DE ESTUDO
7
Plano de Estudos
• Introdução a automação e Controle.
• Configurações de Sistemas.
• Objetivos de Análises de projetos.
Objetivos da Aprendizagem
• Introduzir a história da automação.
• Apresentar as definições e variações de sistema de controle.
• Mostrar a aplicação da automação.
• Conceituar os termos: Malha Aberta, Malha Fechada, regime permanente e 
estabilidade.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
8
INTRODUÇÃO
Os sistemas de regulação são como os maestros invisíveis da nossa sociedade 
contemporânea, conduzindo uma sinfonia complexa de atividades em todos os cantos do 
mundo. Desde o lançamento de foguetes ao espaço até a regulação da temperatura em 
nossos lares, esses sistemas automatizados desempenham um papel vital em nossa vida 
cotidiana. Imagine-se observando o lançamentode um foguete: o cronograma rigoroso, os 
motores rugindo e a precisão milimétrica com que a espaçonave é direcionada para a órbita 
terrestre. Este é apenas um exemplo dramático de como os sistemas de regulação permeiam 
os avanços tecnológicos mais extremos. Porém, sua presença é igualmente significativa em 
situações mais mundanas, como o resfriamento de peças metálicas durante a usinagem 
ou a operação suave de um elevador em um prédio comercial movimentado. Mas aqui está 
o ponto intrigante: não somos os únicos mestres desses sistemas. A natureza, com sua 
engenhosidade biológica, também é uma mestra na arte da regulação automática. 
Dentro de nossos próprios corpos, encontramos uma miríade de sistemas de 
controle, desde a regulação dos níveis de açúcar no sangue até o aumento da frequência 
cardíaca em momentos de estresse. E até mesmo em domínios não físicos, como a 
educação, vemos a aplicação inteligente de sistemas de regulação. Modelos concebidos 
para prever o desempenho dos estudantes com base no tempo de estudo são um 
testemunho da versatilidade desses sistemas e de como podem moldar nossas estratégias 
de aprendizagem. 
Neste capítulo, mergulharemos nas definições fundamentais dos sistemas de 
controle, explorando suas vantagens, história e as complexidades envolvidas em sua 
implementação. Prepare-se para uma jornada fascinante pelo mundo dos sistemas de 
regulação, onde o controle é a chave para desbloquear um vasto espectro de possibilidades.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
9
Os sistemas de regulação são essenciais na sociedade contemporânea, permeando 
inúmeras aplicações em nosso cotidiano. Observamos sua presença em diversas instâncias: 
foguetes são lançados e ônibus espaciais decolam para órbita terrestre; peças metálicas 
são usinadas automaticamente envoltas em jatos de água para resfriamento; veículos 
autônomos distribuem materiais em estações de trabalho numa oficina de montagem 
aeroespacial, deslizando pelo piso em busca de seus destinos. 
Esses são apenas alguns exemplos dos sistemas controlados automaticamente que 
podemos criar. Entretanto, não somos os únicos criadores de tais sistemas. Na natureza, 
também encontramos exemplos de regulação automática. Dentro de nossos corpos, há 
inúmeros sistemas de controle, como o pâncreas, que regula o nível de açúcar no sangue. 
Em situações de estresse agudo, a adrenalina aumenta junto com a frequência cardíaca, 
garantindo maior fluxo de oxigênio para nossas células. Nossos olhos rastreiam objetos 
em movimento para mantê-los em nosso campo visual, enquanto nossas mãos seguram e 
posicionam objetos com precisão em locais determinados. 
Além disso, até mesmo o mundo não físico parece ser regulado automaticamente. 
Foram propostos modelos que demonstram o controle automático do desempenho de 
estudantes. Nesses modelos, a entrada é o tempo disponível para estudo, e a saída é a nota 
obtida. Esses modelos podem ser utilizados para prever o tempo necessário para melhorar 
a nota, caso haja um aumento repentino no tempo de estudo. Com base nesse modelo, é 
possível determinar se vale a pena aumentar os esforços e intensificar os estudos durante 
a última semana do período.
INTRODUÇÃO A 
AUTOMAÇÃO E CONTROLE1
TÓPICO
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
10
1.1 Definições de sistemas de controle
Um Arranjo de Regulação é constituído por subconjuntos e procedimentos (ou 
instalações) elaborados com a finalidade de gerar um resultado pretendido com uma 
eficiência particular, em reação a uma entrada específica. Uma ilustração simplificada 
de um arranjo de regulação é apresentada na Figura 1.1, onde a entrada se correlaciona 
com o resultado desejado.
FIGURA 1 - DESCRIÇÃO SIMPLIFICADA DE UM SISTEMA DE CONTROLE
Fonte: Adaptado de Ogata (2015)
Tomemos como exemplo um elevador. Quando o botão correspondente ao quarto 
andar é pressionado no primeiro andar, o elevador se move até o quarto andar com velocidade 
e precisão de nivelamento planejadas para o conforto do passageiro. A ativação do botão 
do quarto andar constitui uma entrada que simboliza a saída desejada. O desempenho do 
elevador pode ser avaliado pela curva de resposta do sistema na figura.
 Duas principais medidas de desempenho são notáveis: (1) a resposta transitória e 
(2) o erro em estado estacionário. Neste caso, o conforto e a satisfação do passageiro estão 
vinculados à resposta transitória. Se essa resposta for excessivamente rápida, o conforto 
pode ser comprometido; se for demasiadamente lenta, a paciência é impactada. O erro em 
estado estacionário representa outra avaliação crucial de desempenho, pois a segurança e a 
conveniência do passageiro podem ser prejudicadas se o elevador não nivelar corretamente.
1.2 Vantagens dos sistemas de controle
As vantagens oferecidas pelos Sistemas de Regulação são notáveis. Permitem-
nos movimentar equipamentos pesados com uma precisão que, de outra maneira, seria 
inatingível. Podemos direcionar grandes antenas para os limites do universo a fim de captar 
sinais de rádio muito fracos; operar tais antenas manualmente seria impraticável. Graças 
aos sistemas de regulação, os elevadores nos transportam rapidamente aos nossos 
destinos, parando automaticamente nos andares corretos. Sozinhos, não conseguiríamos 
fornecer a potência necessária para a carga e a velocidade; os motores oferecem a potência, 
enquanto os sistemas de regulação regulam a posição e a velocidade. Existem quatro 
razões principais pelas quais desenvolvemos sistemas de regulação: 
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
11
• Aumento de potência: por exemplo, uma antena de radar, ajustada pela rotação 
de baixa potência de um botão, exige uma grande quantidade de potência para 
a rotação. Um sistema de regulação pode fornecer a amplificação de potência 
necessária.
• Operação remota: robôs concebidos com base nos princípios dos sistemas de 
regulação podem compensar a ausência de habilidade humana. Além disso, os 
sistemas de regulação são úteis em locais remotos ou perigosos. Por exemplo, 
um braço robótico operado remotamente pode ser usado para recolher materiais 
em um ambiente radioativo. A Figura 1.4 mostra um exemplo de braço robótico 
elaborado para operar em ambientes contaminados.
• Adaptação da forma da entrada: os sistemas de regulação também podem 
oferecer conveniência ao modificar a forma da entrada. Por exemplo, em um 
sistema de regulação de temperatura, a entrada é uma posição em um termostato, 
e a saída é o calor. Assim, uma entrada de posição conveniente produz uma 
saída térmica desejada. 
Outra vantagem de um sistema de regulação é sua habilidade de compensar 
perturbações. Geralmente, controlamos variáveis como temperatura em sistemas térmicos, 
posição e velocidade em sistemas mecânicos, e tensão, corrente ou frequência em sistemas 
elétricos. O sistema deve ser capaz de fornecer a saída correta, mesmo quando sujeito a 
perturbação (AGUIRRE, 2007). 
Por exemplo, considere um arranjo de antena que é direcionado para uma 
direção específica. Se o vento deslocar a antena de sua posição designada, ou se houver 
interferências internas, o arranjo deve ser capaz de detectar a perturbação e ajustar a 
posição da antena. É essencial observar que a entrada do arranjo não será alterada para 
realizar essa correção. Portanto, o próprio arranjo deve avaliar o quanto a perturbação 
moveu a antena e, em seguida, realinhá-la com a posição desejada pela entrada.
1.3 História dos sistemas de controle
Os arranjos de regulação com retroalimentação possuem uma história que se estende 
até períodos anteriores à própria existência da humanidade. Muitos mecanismos de regulação 
biológica foram elaborados pelos primeiros habitantes de nosso planeta. Agora, vamos analisar 
sucintamente a história dos arranjos de regulação concebidos pelos seres humanos.
1.3.1 Controlede nível de líquido
Por volta de 300 a.C., os gregos iniciaram o desenvolvimento de sistemas com 
retroalimentação. Um exemplo notável foi o relógio de água, concebido por Ktesibios. Esse 
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
12
dispositivo operava através do gotejamento contínuo de água em um recipiente de medição. 
O nível de água neste recipiente era utilizado para cronometrar o tempo decorrido. Para 
assegurar que a água gotejasse a uma taxa constante, era necessário manter o nível do 
reservatório de alimentação invariável. Isso era conseguido através do uso de uma válvula 
de flutuador similar àquelas empregadas nos sistemas de regulação de nível de água dos 
tanques de descarga dos sanitários modernos (AGUIRRE, 2007). 
Logo após Ktesibios, o conceito de controle de nível de líquido foi aplicado a uma 
lâmpada a óleo por Philon de Bizâncio. Essa lâmpada consistia em dois reservatórios de 
óleo posicionados verticalmente. A bandeja inferior, aberta no topo, fornecia combustível 
para a chama, enquanto a taça superior, fechada, atuava como reservatório de combustível 
para a bandeja inferior. Os reservatórios eram conectados por dois tubos capilares e um 
tubo adicional, conhecido como transportador vertical, inserido no óleo da bandeja inferior 
imediatamente abaixo da superfície. À medida que o óleo era consumido, a extremidade do 
transportador vertical era exposta ao ar, ocasionando o fluxo do óleo do reservatório superior 
através dos tubos capilares até a bandeja. Esse fluxo de combustível cessava quando o 
nível original de óleo na bandeja era restaurado, impedindo a entrada de ar no transportador 
vertical. Dessa maneira, o sistema mantinha o nível de líquido no reservatório inferior estável.
1.3.2 Controles de pressão do vapor e de temperatura
Por volta de 1681, teve início o controle da pressão do vapor com a invenção da válvula 
de alívio por Denis Papin. Este conceito foi aprimorado ao aumentar a carga sobre o topo 
da válvula. Se a pressão proveniente da caldeira excedesse o limite da carga, o vapor era 
liberado, reduzindo a pressão. Caso contrário, a válvula permanecia selada e a pressão dentro 
da caldeira aumentava. Dessa forma, a carga sobre o topo da válvula determinava a pressão 
interna na caldeira. Também durante o século XVII, na Holanda, Cornelis Drebbel desenvolveu 
um sistema de regulação de temperatura inteiramente mecânica para a incubação de ovos. 
Esse dispositivo consistia em um recipiente contendo álcool e mercúrio, com um 
flutuador em seu interior. O flutuador estava ligado a uma válvula que controlava uma chama. 
Uma porção do recipiente era introduzida na incubadora para avaliar o calor gerado pela 
chama. À medida que o calor aumentava, o álcool e o mercúrio se expandiam, elevando 
o flutuador e fechando a válvula, resultando na redução da chama. Em contrapartida, 
temperaturas mais baixas provocavam a descida do flutuador, abrindo a válvula e 
aumentando a chama (AGUIRRE, 2007).
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
13
1.3.3 Controle de velocidade
Em 1745, Edmund Lee implementou a regulação de velocidade em um moinho 
de vento. Ventos mais fortes resultavam na inclinação das lâminas para trás, reduzindo 
a área de exposição. À medida que o vento diminuía, uma maior área das lâminas ficava 
disponível. Em 1809, William Cubitt aprimorou essa concepção ao subdividir as velas do 
moinho em painéis móveis.
No mesmo século XVIII, James Watt desenvolveu o regulador de velocidade de 
esferas para controlar a velocidade dos motores a vapor. Nesse dispositivo, duas esferas 
giratórias se elevam conforme a velocidade de rotação aumenta. Uma válvula de vapor 
conectada ao mecanismo das esferas se fecha com o movimento ascendente e se abre 
com o movimento descendente, ajustando assim a velocidade.
1.3.4 Estabilidade, estabilização e direção
A teoria dos arranjos de regulação, conforme entendida atualmente, começou a se 
estabelecer na segunda metade do século XIX. Em 1868, James Clerk Maxwell introduziu 
o critério de estabilidade para um sistema de terceira ordem, com base nos coeficientes da 
equação diferencial. Em 1874, Edward John Routh, fazendo uso de uma sugestão de William 
Kingdon Clifford anteriormente desconsiderada por Maxwell, foi capaz de ampliar o critério de 
estabilidade para sistemas de quinta ordem. No mesmo ano, o tema do Prêmio Adams foi “O 
Critério da Estabilidade Dinâmica”, e em resposta, Routh apresentou um trabalho intitulado “Um 
Tratado sobre a Estabilidade de um Estado de Movimento Específico”, conquistando o prêmio.
 Alexandr Michailovich Lyapunov também desempenhou um papel fundamental 
no avanço e elaboração das teorias e aplicações contemporâneas da estabilidade dos 
arranjos de regulação. Como aluno de P. L. Chebyshev na Universidade de St. Petersburg, 
na Rússia, Lyapunov expandiu os estudos de Routh para sistemas não lineares em sua 
dissertação de doutorado em 1892, intitulada “A Questão Global da Estabilidade do 
Movimento” (AGUIRRE, 2007).
Durante a segunda metade do século XIX, o progresso na área dos arranjos de 
regulação estava centrado na orientação e estabilização de embarcações. Em 1874, Henry 
Bessemer, empregando um giroscópio para avaliar o movimento de uma embarcação e 
aproveitando a potência produzida pelo sistema hidráulico da mesma, movimentava o salão da 
embarcação para mantê-la nivelada (embora não seja certo se isso impactava de alguma forma 
os passageiros). Outras tentativas foram feitas para estabilizar plataformas de armamento e 
embarcações inteiras, utilizando pêndulos como dispositivos de detecção de movimento.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
14
1.3.5 Desenvolvimentos do século xx
Os progressos do Século XX tiveram um papel crucial no avanço dos arranjos 
de regulação. Foi apenas nos primórdios desse século que a navegação automática de 
embarcações foi alcançada. Em 1922, a Sperry Gyroscope Company implementou um 
sistema automático de direção que incorporava componentes de compensação e regulação 
adaptativa para aprimorar o desempenho. 
No entanto, grande parte da teoria geral empregada atualmente para otimizar o 
funcionamento dos arranjos de regulação automática é atribuída a Nicholas Minorsky, um 
russo nascido em 1885. Seu desenvolvimento teórico aplicado à navegação automática 
de embarcações resultou no que hoje conhecemos como controladores proporcionais, 
integrais e derivativos (PID), ou controladores de três modos (NISE, 2012). No final dos 
anos 1920 e início dos anos 1930, H. W. Bode e H. Nyquist, do Bell Telephone Laboratories, 
progrediram na investigação de amplificadores com retroalimentação.
 Essas contribuições deram origem às metodologias de análise e concepção em 
frequência amplamente adotadas nos arranjos de regulação com retroalimentação (NISE, 
2012). Em 1948, Walter R. Evans, colaborando na indústria aeronáutica, concebeu um 
método gráfico para ilustrar as soluções de uma equação característica de um sistema 
com retroalimentação, cujos parâmetros oscilavam em um intervalo específico de valores. 
Esse método, atualmente denominado lugar geométrico das raízes, em conjunto com as 
contribuições de Bode e Nyquist, estabelece os fundamentos teóricos para a análise e 
concepção de sistemas de regulação lineares.
Atualmente, os arranjos de regulação desempenham uma função essencial 
em uma ampla variedade de domínios, incluindo orientação, navegação e comando de 
mísseis, veículos espaciais, aeronaves e embarcações. Por exemplo, as embarcações 
contemporâneas empregam uma diversidade de elementos elétricos, mecânicos e 
hidráulicos para gerar direções de leme em resposta aos direcionamentos desejados. Essas 
instruções de leme resultam em um ângulo de leme que orienta a embarcação.
Na esfera da regulação de processos industriais, encontramos arranjos de regulação 
controlando onível de líquidos em reservatórios, concentrações químicas em tanques e a 
espessura de materiais fabricados. Por exemplo, um sistema de regulação de espessura em 
uma linha de acabamento de chapas de aço emprega raios X para medir a espessura real 
e ajusta essa espessura por meio da comparação com a espessura desejada, controlando 
a posição de um parafuso que modifica a distância entre os rolos (NISE, 2012).
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
15
As evoluções contemporâneas têm testemunhado uma ampla integração de 
computadores digitais como componentes essenciais dos arranjos de regulação. Por 
exemplo, computadores são empregados em sistemas de regulação de robôs industriais, 
veículos espaciais e na indústria de regulação de processos. É desafiador conceber um 
arranjo de regulação moderno que não faça uso de um computador digital.
O ônibus espacial, por sua vez, está equipado com vários sistemas de regulação 
controlados por um computador de bordo em um esquema de tempo compartilhado. Sem 
esses sistemas de regulação, seria inviável guiar a nave para dentro e para fora da órbita 
terrestre, ajustar a órbita e manter o suporte à vida a bordo. Funcionalidades de navegação 
programadas nos computadores da nave utilizam dados provenientes do hardware da nave 
para calcular sua posição e velocidade, gerando comandos para os sistemas de regulação 
de voo que manobram a espaçonave (AGUIRRE, 2007).
Dentro deste vasto sistema de regulação, abrangendo a navegação, orientação e 
comando, existem diversos subarranjos para controlar as funcionalidades do veículo. Por 
exemplo, os elevons demandam um arranjo de regulação para assegurar que permaneçam 
na posição adequada, mesmo diante de perturbações como o vento tentando deslocá-los. 
Da mesma forma, no ambiente espacial, a regulação da rotação dos propulsores do sistema 
de manobra orbital requer um arranjo de regulação similar para garantir sua precisão e 
velocidade (NISE, 2012).
Adicionalmente, uma variedade de arranjos de regulação é essencial dentro da 
embarcação para a geração de energia e manutenção da vida. Por exemplo, a nave orbital 
inclui geradores de energia de células de combustível que transformam hidrogênio e oxigênio 
em eletricidade e água, com arranjos de regulação para controlar temperatura e pressão. Os 
sistemas de aquecimento residencial também exemplificam arranjos de regulação simples, 
como um termostato que regula o aquecedor com base na temperatura ambiente. 
Mesmo os sistemas de entretenimento residencial incluem arranjos de regulação. 
Por exemplo, em um sistema de gravação de disco óptico, um raio laser é mantido em 
posição sobre cavidades microscópicas gravadas no disco, com um arranjo de regulação 
assegurando a precisão do posicionamento para leitura e gravação (NISE, 2012).
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
16
Nesta parte, investigamos os dois principais arranjos dos sistemas de regulação: 
sistema de regulação em malha aberta e sistema de regulação em malha fechada. Por 
último, apresentamos como um computador digital é incorporado à disposição de um 
sistema de regulação.
2.1 Sistemas em malha aberta
Uma representação típica de um sistema em circuito aberto é apresentada na 
Figura 2(a). Ele começa com um componente chamado transdutor de entrada, encarregado 
de converter a forma da entrada para o formato utilizado pelo dispositivo de controle. Em 
seguida, o dispositivo de controle age sobre um processo ou unidade. A entrada, por vezes 
designada como referência, enquanto a saída pode ser chamada de variável controlada. 
Outros sinais, como perturbações, são mostrados sendo somados às saídas do dispositivo 
de controle e do processo por meio de junções de soma, fornecendo a soma algébrica 
dos sinais de entrada associados. Por exemplo, o processo pode ser uma caldeira ou um 
sistema de ar condicionado, onde a variável de saída é a temperatura. O dispositivo de 
controle em um sistema de aquecimento pode incluir válvulas de combustível e o sistema 
elétrico que opera essas válvulas (AGUIRRE, 2007).
A característica fundamental de um sistema em circuito aberto é sua incapacidade 
de compensar perturbações que são adicionadas ao sinal de comando do dispositivo 
de controle (Perturbação 1 na Figura 2(a)). Por exemplo, se o dispositivo de controle for 
um amplificador eletrônico e a Perturbação 1 for ruído, então qualquer ruído aditivo do 
CONFIGURAÇÕES 
DE SISTEMAS2
TÓPICO
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
17
amplificador na primeira junção de soma também influenciará o processo, impactando a 
saída com o efeito do ruído. Além disso, a saída de um sistema em circuito aberto pode ser 
influenciada por perturbações na própria saída (Perturbação 2 na Figura 2(b)). O sistema 
não possui a capacidade de corrigir essas perturbações.
Consequentemente, sistemas em circuito aberto não efetuam correções em 
decorrência de perturbações e são regulados exclusivamente pela entrada. Um exemplo 
comum de um sistema em circuito aberto é uma torradeira, como qualquer pessoa que já 
tenha experimentado uma torrada queimada pode confirmar. A variável controlada (saída) 
de uma torradeira é a coloração da torrada. O aparelho é concebido com a suposição de 
que quanto mais tempo a torrada é exposta ao calor, mais escura ela ficará. A torradeira não 
avalia a coloração da torrada; não realiza ajustes com base no tipo de pão (centeio, branco, 
sourdough) ou na espessura das fatias.
FIGURA 2: DIAGRAMAS DE BLOCOS DE SISTEMAS DE CONTROLE: A. SISTEMA EM 
MALHA ABERTA; B. SISTEMA EM MALHA FECHADA
Fonte: Adaptado de Ogata (2015)
Outros exemplos de sistemas em circuito aberto englobam sistemas mecânicos 
que consistem em uma massa, mola e amortecedor, onde uma força constante posiciona a 
massa. Quanto maior a força aplicada, maior será o deslocamento. Neste cenário, se uma 
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
18
força adicional atuar sobre o sistema, como uma perturbação, o sistema não a reconhecerá 
nem efetuará ajustes para compensá-la. 
Para exemplificar, pense no cálculo do tempo de estudo necessário para alcançar um 
conceito A em um exame que abrange três capítulos de um livro. Se o professor optar por 
adicionar um quarto capítulo - uma interferência - você estaria em um sistema em circuito aberto 
caso não percebesse essa alteração e não aumentasse o tempo de estudo em comparação 
com o cálculo anterior. O desfecho desse descuido resultaria em uma nota abaixo da esperada.
2.2 Sistemas em Malha Fechada (Controle com Realimentação)
As limitações dos sistemas em circuito aberto, como a suscetibilidade às perturbações 
e a inaptidão para corrigir seus efeitos, podem ser contornadas pelos sistemas em circuito 
fechado. A estrutura geral de um sistema em circuito fechado é mostrada na Figura 2(b).
No sistema em circuito fechado, o transdutor de entrada altera o formato da entrada 
para o formato utilizado pelo dispositivo de controle. Um transdutor de saída, também 
conhecido como sensor, avalia a resposta da saída e a converte para o formato usado pelo 
dispositivo de controle. Por exemplo, se o dispositivo de controle opera as válvulas de um 
sistema de regulação de temperatura por meio de sinais elétricos, a posição de entrada e 
a temperatura de saída são convertidas em sinais elétricos. A posição de entrada pode ser 
transformada em uma voltagem por meio de um potenciômetro, enquanto a temperatura de 
saída pode ser convertida em uma voltagem por meio de um termistor, um dispositivo cuja 
resistência elétrica varia com a temperatura.
Na primeira junção de soma, o sinal de entrada é algebricamente somado ao sinal 
de saída, que retorna, por meio da malha de retroalimentação, o trajeto de volta da saída 
para a junção de soma. Na Figura 2(b), o sinal de saída é subtraído do sinal de entrada. 
O resultado,frequentemente referido como sinal de controle, pode ser interpretado como 
erro se ambos os transdutores de entrada e saída possuírem ganho unitário, ou seja, 
amplificam sua entrada por um fator igual a 1. Nesse contexto, o sinal de controle reflete 
a diferença efetiva entre a entrada e a saída.
O sistema em circuito fechado neutraliza o impacto das perturbações ao avaliar 
a resposta da saída, reintroduzindo essa avaliação através da malha de retroalimentação 
e contrastando-a com a entrada na junção de soma. Se houver discrepância entre essas 
duas respostas, o sistema instiga a planta para efetuar uma correção por meio do sinal de 
controle. Por outro lado, se não houver divergência, o sistema não atua sobre a planta, pois 
a resposta da planta já corresponde à resposta desejada.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
19
Assim, os sistemas em circuito fechado possuem a vantagem evidente de 
apresentar uma precisão superior em comparação aos sistemas em circuito aberto. 
Eles são menos vulneráveis a interferências, perturbações e variações no ambiente. A 
resposta transitória e os erros em regime permanente podem ser gerenciados de maneira 
mais conveniente e flexível nos sistemas em circuito fechado, muitas vezes por meio 
da modificação do ganho na malha e, ocasionalmente, pela adaptação do design do 
controlador. Essa adaptação de design é conhecida como compensação do sistema, 
resultando em um dispositivo chamado compensador.
Por contraste, os sistemas em circuito fechado são mais elaborados e dispendiosos do 
que os sistemas em circuito aberto. Por exemplo, uma torradeira comum em circuito aberto é 
simples e econômica, enquanto uma torradeira em circuito fechado, que necessita avaliar tanto 
a tonalidade (por meio da reflexão luminosa) quanto a umidade em seu interior, é mais intricada 
e onerosa. Assim, o engenheiro de sistemas de controle deve ponderar a relação entre custo e 
benefício entre a simplicidade e o custo reduzido de um sistema em circuito aberto e a precisão 
e o custo mais elevado de um sistema em circuito fechado (NISE, 2012).
Em síntese, sistemas que efetuam medições e ajustes conforme mencionado 
anteriormente são conhecidos como sistemas em circuito fechado, ou sistemas de controle 
com retroalimentação, ao passo que os sistemas que não apresentam essas características 
de medição e ajuste são designados como sistemas em circuito aberto.
2.3 Sistemas controlados por computador
Em muitos sistemas contemporâneos, o controlador (ou compensador) se 
apresenta na forma de um computador digital. Uma das vantagens de utilizar um computador 
reside na sua capacidade de gerenciar ou compensar múltiplas malhas com o mesmo 
dispositivo, compartilhando o tempo de processamento. Além disso, qualquer ajuste nos 
parâmetros do compensador, necessário para alcançar uma resposta desejada, pode ser 
efetuado por meio de modificações no software, em vez de alterações no hardware físico. 
O computador também pode desempenhar funções de supervisão, como o agendamento 
de múltiplas aplicações necessárias.
Por exemplo, o controlador do motor principal do ônibus espacial (SSME — 
space shuttle main engine), que emprega dois computadores digitais, gerencia diversas 
funcionalidades do motor de maneira autônoma. Ele monitora os sensores do motor, os 
quais fornecem dados sobre pressões, temperaturas, vazões, velocidade da turbobomba, 
posições das válvulas e atuadores das servo-válvulas do motor. Adicionalmente, o 
controlador executa o controle em circuito fechado do empuxo e da relação da mistura do 
propelente, além de supervisionar a excitação dos sensores, os atuadores das válvulas e a 
ignição, entre outras funções (Rockwell International, 1984).
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
20
No Tópico 1, discutimos de forma sucinta algumas características de desempenho 
dos sistemas de controle, como a resposta transitória e o erro em regime permanente. 
Agora, vamos ampliar essa discussão e contextualizá-la à medida que estabelecemos 
nossos objetivos de análise e projeto.
A avaliação é o procedimento pelo qual determinamos a eficácia de um sistema. Por 
exemplo, analisamos a resposta transitória e o erro em regime permanente para garantir 
que estejam alinhados com os requisitos desejados. Já o desenvolvimento é o processo 
pelo qual projetamos ou ajustamos o desempenho de um sistema. Se identificarmos que a 
resposta transitória e o erro em regime permanente não atendem aos critérios estabelecidos 
durante a avaliação, realizamos ajustes nos parâmetros ou incorporamos componentes 
adicionais para satisfazer esses critérios.
Um sistema de controle é dinâmico: ele reage a uma entrada exibindo uma resposta 
transitória antes de atingir uma resposta em estado estacionário, que normalmente se assemelha 
à entrada. Já reconhecemos essas duas respostas e usamos como exemplo um sistema de 
controle de posição, como um elevador. Nesta seção, exploramos três objetivos principais da 
análise e do projeto de sistemas: alcançar a resposta transitória desejada, diminuir o erro em 
regime permanente e assegurar a estabilidade. Também consideramos outros aspectos do 
projeto, como custo e sensibilidade do desempenho do sistema a variações nos parâmetros.
OBJETIVOS DE ANÁLISE 
DE PROJETO3
TÓPICO
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
21
3.1 Resposta transitória
A resposta inicial é um aspecto vital a ser avaliado. No contexto de um elevador, 
uma resposta lenta pode causar impaciência nos passageiros, ao passo que uma resposta 
excessivamente rápida pode deixá-los desconfortáveis. Se o elevador oscilar em torno 
do andar desejado por mais de um segundo, pode gerar uma sensação desconcertante. 
Adicionalmente, a resposta inicial é significativa em termos estruturais: uma reação muito 
veloz pode resultar em danos físicos permanentes.
Na esfera computacional, a resposta transitória influencia o tempo essencial para 
ler ou gravar dados no disco de armazenamento. Dado que essas operações dependem do 
momento em que a cabeça de leitura/gravação para, a velocidade com que essa cabeça se 
move de uma trilha do disco para outra afeta a velocidade total do computador.
Aqui, estabelecemos definições quantitativas para a resposta transitória. 
Posteriormente, realizamos uma análise detalhada do sistema e de sua resposta transitória 
atual. Por fim, ajustamos os parâmetros ou componentes de design para alcançar uma 
resposta transitória desejada, que é nosso principal objetivo de análise e projeto.
3.2 Resposta em regime permanente
Outro objetivo essencial de análise e projeto se concentra na resposta em estado 
estacionário. Como já mencionamos, essa resposta tende a se parecer com a entrada 
original e geralmente é o que permanece após os transitórios terem se dissipado. Por 
exemplo, essa resposta pode ser um elevador parado próximo ao quarto andar ou a cabeça 
de leitura/gravação de um disco finalmente posicionada na trilha correta. Nos interessa 
especialmente a precisão da resposta em estado estacionário. Um elevador deve estar 
nivelado o suficiente com o andar para que os passageiros possam sair, e uma cabeça de 
leitura/gravação desalinhada com a trilha desejada resulta em erros no funcionamento do 
computador. Da mesma forma, uma antena que rastreia um satélite deve manter o satélite 
bem dentro de seu campo de visão para evitar a perda de rastreamento.
Neste texto, estabelecemos definições quantitativas para as falhas em estado 
estacionário, analisamos as falhas em estado estacionário de um sistema e, em seguida, 
planejamos uma ação corretiva para minimizá-las — este é o nosso segundo objetivo de 
análise e projeto.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
22
3.3 Estabilidade
A análise sobre a reação transitória e a falha em regime permanente torna-se sem 
importância se o sistema carecer deestabilidade. Para explicar o conceito de estabilidade, 
partimos do pressuposto de que a resposta total de um sistema é a soma da resposta 
intrínseca com a resposta externamente aplicada. Se você estudou equações diferenciais 
lineares, pode ter se referido a essas respostas como solução homogênea e particular, 
respectivamente. A resposta intrínseca descreve como o sistema absorve ou dissipa 
energia, sua forma ou essência dependendo exclusivamente do sistema, não da entrada. 
Em contraste, a forma ou essência da resposta externamente aplicada depende da entrada.
Para que um sistema de controle seja eficaz, a evolução natural da resposta 
deve seguir um dos dois cenários: (1) gradualmente decair até zero, deixando apenas a 
resposta aplicada, ou (2) oscilar. Em alguns casos, porém, a resposta natural não diminui 
até zero ou oscila, mas aumenta indefinidamente. Quando a resposta natural ultrapassa 
significativamente a resposta aplicada, o sistema perde o controle. 
Esse estado, conhecido como instabilidade, pode resultar na autodestruição do 
dispositivo físico, a menos que haja dispositivos limitadores incorporados ao projeto. Por 
exemplo, um elevador poderia colidir com o piso ou ultrapassar o teto; uma aeronave poderia 
entrar em uma rotação descontrolada; ou uma antena, ao tentar se alinhar com um alvo, poderia 
começar a oscilar ao redor dele com amplitudes crescentes e velocidade aumentada até que 
o motor ou os amplificadores atingissem seus limites de saída, ou até que a antena sofresse 
danos estruturais. Um gráfico temporal de um sistema instável exibiria uma resposta transitória 
crescendo indefinidamente, sem qualquer indicação de uma resposta em regime permanente.
Os sistemas de controle precisam ser concebidos para manter a estabilidade. Em 
outras palavras, suas respostas naturais devem eventualmente decair para zero à medida 
que o tempo avança para o infinito, ou devem apresentar oscilação. Em muitos sistemas, 
a resposta transitória evidenciada em um gráfico da resposta ao longo do tempo está 
diretamente ligada à resposta natural. Portanto, se a resposta natural diminuir para zero 
conforme o tempo se estende para o infinito, a resposta transitória também desaparecerá, 
restando apenas a resposta aplicada. Com a estabilidade do sistema, torna-se viável 
projetar características adequadas de resposta transitória e erro em regime permanente. 
Garantir a estabilidade representa nosso terceiro objetivo de análise e projeto.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
23
A automação industrial é amplamente empregada em diversas áreas de produção industrial, 
acompanhada pela implementação do Planejamento e Controle da Produção (PCP). Embora a robótica seja 
a face mais evidente da automação hoje em dia, ela também desempenha um papel crucial em indústrias 
químicas, petroquímicas e farmacêuticas, onde transmissores de pressão, vazão, temperatura e outras 
variáveis são utilizados para alimentar sistemas de Controle Distribuído Digital (SDCD) ou Controladores 
Lógicos Programáveis (CLP). O objetivo primordial da Automação Industrial é aumentar a produtividade, 
qualidade e segurança nos processos. Em um sistema típico, todos os dados dos sensores são centralizados 
em um controlador programável, que, de acordo com o programa em memória, determina o estado dos 
atuadores. Com o avanço da instrumentação de campo inteligente, há uma tendência de migrar funções 
anteriormente realizadas pelo controlador programável para esses instrumentos de campo.
Fonte: O autor (2024)
REFLITA
Você sabe quais são os impactos da automação industrial nas empresas?
As significativas mudanças podem provocar diversos impactos. Em princípio, a comunicação da 
sua empresa melhora e a produção se torna mais ágil. 
Isso resulta na minimização de erros, tornando a produção o foco principal das operações. 
Segundo o site The Market Mogul, apenas no setor automotivo, os investimentos em tecnologias da Indústria 
4.0 proporcionaram uma redução de custos de até US$ 28 bilhões em um período de 4 anos. 
Além disso, de acordo com um estudo da PwC, as empresas alemãs esperam alcançar um 
aumento de eficiência de 12% somente através de investimentos em automação industrial.
Fonte: Folha (2024)
SAIBA
MAIS
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
24
O capítulo introdutório apresenta uma visão ampla e fascinante dos sistemas de 
controle, destacando sua presença tanto na sociedade contemporânea quanto na natureza. 
Desde foguetes e ônibus espaciais até os sistemas de controle presentes em nossos 
corpos, o texto ressalta a ubiquidade e importância desses sistemas. Além disso, ele 
oferece definições claras e exemplos elucidativos para entendermos melhor os sistemas 
de controle, desde suas características até suas aplicações contemporâneas.
 O texto aborda os sistemas em malha aberta e malha fechada, destacando 
suas diferenças fundamentais e exemplificando seu funcionamento. A partir de exemplos 
simples, como uma torradeira, até sistemas mais complexos, como sistemas de controle de 
temperatura em processos industriais, o capítulo nos leva a uma compreensão abrangente 
dos princípios básicos dos sistemas de controle. 
Por fim, ao explorar a história dos sistemas de controle desde os tempos antigos até os 
desenvolvimentos modernos, o capítulo fornece um contexto histórico valioso para entendermos 
a evolução desses sistemas ao longo do tempo. Em suma, o capítulo introdutório estabelece 
uma base sólida para o estudo mais aprofundado dos sistemas de controle, fornecendo uma 
visão geral abrangente e cativante desse campo fascinante da engenharia.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
LEITURA COMPLEMENTAR
25
No artigo “UMA RÁPIDA ANÁLISE SOBRE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL”, teremos 
uma perspectiva abrangente sobre automação industrial, abordando várias motivações 
para a adoção de sistemas automatizados, bem como os conceitos, evolução e bases para 
o uso da instrumentação e das redes industriais. Este texto enriquecedor também fornece 
uma breve descrição da situação da automação no Brasil.
Para ler mais, acesse o link: https://www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/DCA447/
trabalho1/trabalho1_6.pdf
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
https://www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/DCA447/trabalho1/trabalho1_6.pdf
https://www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/DCA447/trabalho1/trabalho1_6.pdf
26
MATERIAL COMPLEMENTAR
LIVRO
• Título: Automação Industrial, na Prática
• Autor: Frank Lamb.
• Editora: Bookman.
• Sinopse: Automação industrial, na prática, é um guia de referência 
de conceitos, terminologia e aplicações. Estruturado em tópicos 
para facilitar a consulta, apresenta o conteúdo essencial do projeto 
e do uso de máquinas automatizadas, abordando sistemas de 
controles, construção de máquinas, engenharia mecânica e 
muito mais. Complementado por gráficos, imagens, exemplos de 
aplicação e dicas, este é um guia valioso tanto para estudantes de 
automação quanto para profissionais em busca de aperfeiçoamento. 
TEMAS ABORDADOS - Automação e manufatura — Conceitos 
importantes utilizados em automação, controles, projeto de 
máquinas e documentação — Componentes e hardware — Sistemas 
de máquina — Sistemas de processos e máquinas automatizadas 
— Software — Ocupações e ramos de atuação — Negócios 
industriais e de manufatura, incluindo produção enxuta — Projeto 
de máquinas e sistemas — Aplicações. Este lançamento da série 
Tekne é um instrumento pedagógico indispensável para alunos e 
professores dos cursos do eixo Controle e Processos Industriais, 
previstos pelo Ministério da Educação no Programa Nacional de 
Acesso ao Ensino Técnico e Emprego (Pronatec).
FILME/VÍDEO
• Título: A teoria de Tudo
• Ano: 2014.
• Sinopse: Baseado na biografia de Stephen Hawking, o filme 
mostra como o jovem astrofísico (Eddie Redmayne) fez descobertas 
importantessobre o tempo, além de retratar o seu romance com a 
aluna de Cambridge Jane Wide (Felicity Jones) e a descoberta de 
uma doença motora degenerativa quando tinha apenas 21 anos.
INTRODUÇÃO A AUTOMAÇÃO E CONTROLE – FUNDAMENTOS HISTÓRICOSUNIDADE 1
Professor Me. Lucas Delapria Dias dos Santos
CONTROLE 
CLÁSSICO E 
MODERNO2UNIDADEUNIDADE
PLANO DE ESTUDO
28
Plano de Estudos
• Sistema de controle.
• Controle Clássico e moderno.
Objetivos da Aprendizagem
• Conceituar sistemas de controle.
• Compreender a diferença entre controles clássicos e modernos.
• Conhecer os tipos de controle (on-off, P, PI, PID).
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
29
Oi, caro (a) aluno (a)! 
Nesta seção inicial, investigaremos a evolução dos sistemas de controle ao 
longo da história, juntamente com a introdução de conceitos essenciais para projetos na 
disciplina de teoria de controle. Exploraremos as diversas estruturas dos controladores, 
seus componentes fundamentais e os princípios subjacentes ao seu funcionamento. 
Realizaremos comparações para avaliar os pontos positivos e negativos de cada estrutura.
As ideias discutidas têm aplicações amplas na resolução de uma variedade de sistemas 
de controle, já que reconhecer corretamente o problema é crucial para um projeto eficaz.
Agora, vamos utilizar essas habilidades em um contexto prático: imagine que você 
faça parte do time de engenharia de uma empresa automotiva. Seu papel é projetar e 
avaliar sistemas de suspensão. A suspensão é vital para a dirigibilidade e segurança do 
veículo; assim, um desenvolvimento eficiente assegura conforto e proteção aos ocupantes.
Durante a reunião de planejamento de novos produtos, foi designado a você o 
desenvolvimento do projeto da mais recente suspensão ativa para a linha de veículos da 
montadora. Qual será a entrada e saída desse sistema de suspensão? E quanto à topologia 
de controle, você acha que deve ser em malha aberta ou fechada?
Está pronto para descobrir? Desejo a você bons estudos e um excelente 
trabalho!
INTRODUÇÃO
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
30
Não é complicado relacionar a palavra “controle” a contextos como operar o controle 
remoto da televisão ou do videogame. No futebol, há o empolgante desafio do “domínio”, 
onde o propósito é manter a bola no ar com embaixadas, exibindo habilidade de controle 
sobre ela. Essa mesma noção se aplica em diversas situações:
• Na televisão, usamos o comando remoto para localizar um canal de nosso 
interesse.
• Nos videogames, o joystick nos capacita a interagir com o mundo virtual e atingir 
metas específicas.
• No “domínio”, exercitamos o controle sobre a bola para mantê-la em movimento, 
evitando que toque o solo.
Apesar das distintas situações, o princípio de controle permanece inalterado: agir 
sobre algo para alcançar um objetivo. A teoria de controle de sistemas dinâmicos busca 
precisamente isso, e para tal, valemo-nos do conhecimento físico e matemático.
SISTEMA DE 
CONTROLE1
TÓPICO
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
31
FIGURA 1: ILUSTRAÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE DE ABERTURA E 
FECHAMENTO DOS PORTÕES
Fonte: Aguierre (2007)
Essa teoria não é recente. Um dos primeiros sistemas de controle automático conhecidos 
foi concebido por Heron de Alexandria (10 d.C. - 70 d.C.) no primeiro século. O sistema estava 
relacionado à operação de portões, conforme ilustrado na Figura 1.2. Uma chama era acesa, e 
seu calor aquecia a água e o ar no primeiro reservatório subterrâneo, provocando sua expansão 
e movendo água para outro reservatório. Esse reservatório, agora mais pesado, descia, puxando 
uma corda ligada a um rolete, que, por sua vez, movia a porta. Nesse sistema, a temperatura da 
chama era a entrada, enquanto o ângulo do portão constituía a saída.
No século XVII, ocorreu a primeira formulação matemática de um sistema de controle, 
amplamente empregado para ajustar a velocidade angular de máquinas a vapor. Esse sistema 
é denominado governador (ou regulador) centrífugo, conforme representado na Figura 2.
FIGURA 2: ILUSTRAÇÃO DO GOVERNADOR (OU REGULADOR) CENTRÍFUGO
Fonte: Aguierre (2007)
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
32
Os governadores centrífugos tinham a função de regular a velocidade das máquinas 
a vapor controlando a válvula que regulava o fluxo de ar de admissão. O eixo D girava devido 
à potência gerada pelo motor, transmitida através de algum acoplamento, como correias, por 
exemplo. Concomitantemente ao movimento do eixo D, as esferas também giravam. Um 
aumento na velocidade angular fazia com que as esferas se elevassem, acionando o mecanismo 
no topo e reduzindo a abertura da borboleta de admissão. Essa restrição na admissão diminuía 
a potência gerada pelo motor e, por conseguinte, a velocidade angular desenvolvida pelo eixo. 
Neste contexto, a entrada do sistema era a velocidade angular do eixo do motor, enquanto a 
saída correspondia ao ângulo de abertura da borboleta de admissão.
Prosseguindo na linha do tempo, em 1922, Nicolas Minorsky foi pioneiro ao propor 
a aplicação do controle PID (proporcional – integrativo – derivativo), um tipo clássico de 
controlador que será abordado na Unidade 4, no sistema automático de direção dos navios 
da Marinha dos Estados Unidos.
Durante as décadas de 1950 e 1960, com o avanço da ciência, a eletrônica 
analógica foi amplamente empregada para tarefas de controle automático, onde os valores 
das resistências, capacitores e indutores influenciavam o desempenho do controlador. 
Entretanto, na década de 1970, emergiu a teoria do controle digital, impulsionada pelo 
desenvolvimento dos sistemas digitais, como circuitos integrados e microcontroladores.
O ápice do desenvolvimento na teoria de controle clássico ocorreu até meados do 
século XX, introduzindo ferramentas matemáticas fundamentais para o projeto e análise de 
controladores. As mais significativas dessas ferramentas serão apresentadas ao longo das 
unidades deste material.
Na segunda metade do século XX, surgiram técnicas avançadas de controle, 
incluindo:
• Controle ótimo: envolve o cálculo da atuação no sistema através da minimização 
de uma função custo definida pelo projetista.
• Controle robusto: visa garantir desempenho e estabilidade robustos em 
relação às incertezas na modelagem do sistema.
• Inteligência artificial, entre outras.
Neste contexto, é evidente que a teoria de controle é uma área vasta com aplicações em 
diversos sistemas dinâmicos. Para iniciar nossos estudos nesse amplo campo de conhecimento, 
é crucial introduzir alguns conceitos básicos, como a compreensão da arquitetura do controlador.
Imagine-se ajustando a temperatura do chuveiro antes de tomar banho. A 
temperatura da água é determinada pela vazão do chuveiro: quanto menor o fluxo, maior a 
temperatura, e quanto maior o fluxo, menor a temperatura.
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
33
Considere duas situações:
01. Você liga o chuveiro, ajusta a vazão com base no seu conhecimento prévio 
do comportamento do seu chuveiro e entra para tomar banho sem fazer mais 
nenhum ajuste na vazão.
02. Você liga o chuveiro e vai ajustando a vazão gradualmente, sentindo a 
temperatura da água e regulando o fluxo para alcançar a temperatura desejada.
Qual das situações é mais propensa a resultar em uma experiência desconfortável 
nos dias mais frios do inverno?
Se você prefere evitar o risco de tomar banho com água fria durante o inverno, 
concordará que a situação (a) apresenta mais riscos do que a situação (b). Na situação (a), 
o chuveiro (considerado o sistema ou planta) e você (assumindo o papel de controlador) 
operam em um arranjo de malha aberta (open-loop). Já na situação (b), vocês operam em 
um arranjo de malha fechada (closed-loop).
Na malha aberta, o controlador não recebe feedback sobre o estado atual do 
sistema durante o processo de controle. Por outro lado, na malha fechada, o controlador 
recebe feedback contínuo sobre o estado atual do sistema durante o processo de controle.
Podemos, então,inferir algumas características distintivas entre a malha aberta e a 
malha fechada. Na malha aberta, o controle é predefinido e independente do estado atual 
do sistema. Como resultado, a atuação nesse tipo de arquitetura de controle está sujeita a 
corresponder ao objetivo desejado pelo sistema. Devido à ausência de feedback, a malha aberta 
tende a ser mais simples e econômica. Por outro lado, na malha fechada, o controle se beneficia 
das informações contínuas do sistema para ajustar o sinal de atuação (ou controle). Essas 
informações que retornam ao controle são conhecidas como feedback, ou retroalimentação.
FIGURA 3: EXEMPLOS DE ARQUITETURA BÁSICAS UM SISTEMA DE CONTROLE
Fonte: OGATA (2003)
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
34
Como ilustrado na Figura 3, um sistema de controle básico consiste em algumas 
estruturas essenciais: o controlador, o atuador e o sistema. A distinção fundamental entre 
o sistema em malha aberta (Figura 3a) e o sistema em malha fechada (Figura 3b) reside 
na presença da retroalimentação. Cada componente pode ser descrito da seguinte forma:
• Sistema ou sistema dinâmico: é o alvo do controle. Está presente em 
ambas as arquiteturas. O sistema dinâmico é o sistema do qual se espera um 
comportamento específico, que é buscado através da atuação do controlador.
• Atuador: é o dispositivo que efetivamente influencia o sistema conforme 
os comandos enviados pelo controlador, utilizando meios como força, torque, 
diferença de potencial elétrico, pressão, entre outros. Este elemento também 
está presente em ambas as arquiteturas.
• Controlador: determina a intensidade com que o atuador deve operar sobre o 
sistema. Faz parte de ambas as arquiteturas.
• Retroalimentação: pode estar presente (malha fechada - Figura 3b) ou ausente 
(malha aberta - Figura 3a) no sistema. Quando presente em malha fechada, 
fornece ao controlador informações sobre o estado atual do sistema. Com base 
nessas informações, o controlador ajusta a atuação no sistema para que este 
alcance o comportamento desejado.
Embora a malha fechada seja mais atraente devido à sua robustez e capacidade 
de mitigar erros, é importante notar que também é mais complexa de ser implementada 
na prática e, portanto, geralmente acarreta um custo financeiro maior. Portanto, antes 
de implementar a solução de um problema, é essencial analisar se há realmente a 
necessidade de desenvolver um sistema de controle em malha fechada para alcançar a 
resposta desejada do sistema dinâmico.
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
35
A teoria de controle moderno teve origem na década de 1960, impulsionada pela 
necessidade de desenvolver sistemas de controle mais sofisticados e precisos, como os 
utilizados em mísseis e sondas espaciais. Nesse contexto, os métodos de controle clássico 
já não eram adequados para satisfazer essas exigências. Com o avanço da era espacial 
e o surgimento de projetos de satélites, a engenharia de controle foi desafiada a encontrar 
soluções que permitissem minimizar o peso dos satélites e controlá-los de maneira mais 
precisa, dado que se tratavam de sistemas multivariáveis.
Nesse cenário, o método de domínio do tempo, desenvolvido por Lyapunov, 
Minorsky e outros, tornou-se objeto de interesse contínuo até os dias atuais. Além disso, 
estudos sobre controle ótimo, conduzidos por L.S. Pontryagin e R. Bellman, e sobre controle 
robusto, também contribuíram para o aprimoramento do método de domínio do tempo.
Uma das principais distinções entre o controle moderno e o controle clássico reside 
na consideração de sistemas multivariáveis, que possuem múltiplas entradas e saídas, 
e que podem ser variantes ou invariantes no tempo. Enquanto no controle clássico a 
abordagem geralmente envolve um sistema com uma única entrada e uma única saída, e 
tende a ser invariante no tempo.
Conforme afirmado por Nise (2012), um sistema de controle é composto por 
subsistemas e processos (ou plantas) desenvolvidos com a finalidade de alcançar uma 
saída desejada com um desempenho desejado, considerando uma entrada específica. Um 
sistema pode ser ilustrado pelo diagrama de blocos mostrado na Figura 4.
CONTROLE CLÁSSICO
E MODERNO2
TÓPICO
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
36
FIGURA 4: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE CONTROLE
Fonte: Adaptado de Nise (2012)
Portanto, conforme indicado por Ogata (2010), é crucial ter uma compreensão clara 
de certos princípios fundamentais relacionados aos sistemas de controle para conduzir 
uma análise ou até mesmo o controle de um sistema. Abaixo estão os princípios essenciais:
• Processo: evolução caracterizada por uma sequência de alterações graduais 
que ocorrem de maneira relativamente estável, progredindo em direção a um 
resultado ou objetivo específico.
• Sistemas: constituem-se de elementos que trabalham em conjunto para 
alcançar um determinado propósito.
• Plantas: podem ser um componente de um dispositivo ou até mesmo um 
conjunto de elementos de um equipamento que operam de forma integrada para 
realizar uma função específica.
• Variável controlada: é a grandeza ou condição que é monitorada e controlada, 
geralmente representando a saída do sistema.
• Variável manipulada: é a grandeza ou condição que é ajustada pelo controlador, 
influenciando o valor da variável controlada.
• Distúrbios: são sinais que têm o potencial de afetar negativamente o valor da 
variável de saída de um sistema. Se originam dentro do sistema, são denominados 
distúrbios internos, enquanto os gerados externamente são chamados distúrbios 
externos, comportando-se como sinais de entrada para o sistema.
• Controle: envolve a medição da variável controlada do sistema e a aplicação 
de um sinal de controle para corrigir ou limitar desvios do valor medido em relação 
a um valor desejado.
• Controle com realimentação: refere-se a uma operação na qual, na presença 
de distúrbios, busca-se reduzir a discrepância entre a saída do sistema e uma 
entrada de referência, atuando com base nessa discrepância.
Após a definição desses conceitos, são estabelecidas as duas principais 
configurações dos sistemas de controle: malha fechada e malha aberta.
• Malha Fechada: nesse tipo de sistema de controle, o sinal de erro atuante é a 
diferença entre o sinal de entrada e o sinal de realimentação (que pode ser a própria saída). 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
37
Assim, o feedback do controlador é empregado para minimizar o erro e ajustar a saída do 
sistema para o valor desejado, conforme ilustrado na Figura 5 (OGATA, 2010).
FIGURA 5: DIAGRAMA DE BLOCOS DE SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA FECHADA
Fonte: Adaptado de Nise (2012)
• Malha Aberta: em um sistema de controle em malha aberta, a saída não é medida 
nem retroalimentada para comparação com a entrada (OGATA, 2010), conforme 
ilustrado na Figura 6. Ele começa com um subsistema denominado transdutor de 
entrada, responsável por converter a forma de entrada para aquela utilizada pelo 
controlador. O controlador então atua sobre um processo ou planta. A entrada é 
algumas vezes chamada de referência, enquanto a saída pode ser referida como 
variável controlada. Outros sinais, como perturbações, são mostrados sendo 
adicionados às saídas do controlador e do processo por meio de junções de soma, 
que fornecem a soma algébrica dos sinais de entrada associados (NISE, 2012).
FIGURA 6: DIAGRAMA DE BLOCOS DE SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA ABERTA
Fonte: Adaptado de Nise (2012)
2.1 Identificação de sistemas
A identificação de sistemas envolve determinar um modelo matemático que represente 
os aspectos essenciais do sistema, manipulando os sinais de entrada e saída, os quais 
estão relacionados por meio de uma função de transferência contínua ou discreta. Conforme 
Aguirre (2007), a modelagem matemática é definida como a disciplina que estuda métodos 
para construir e implementar modelos (matemáticos) de sistemas reais, sendo crucial que o 
modelador matemático compreenda que o modelo desenvolvidopara um sistema específico é 
apenas uma representação aproximada de algumas de suas características. 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
38
Uma vez obtido o modelo matemático de um sistema, diversas ferramentas analíticas 
e computacionais podem ser empregadas para análise e síntese. Para analisar a resposta 
transitória ou em frequência de um sistema linear, invariante no tempo, com entrada e saída 
únicas, a representação pela função de transferência pode ser mais conveniente do que 
qualquer outra (OGATA, 2010).
De acordo com Coelho e Coelho (2004), o modelo matemático resultante é uma 
forma de compreender a relação entre os sinais de entrada e saída, que é manifestada no 
processo físico pela função de transferência. Portanto, na tarefa de identificação, existem 
vários métodos para gerar o sinal de entrada, medir a saída e armazenar os dados. A Figura 
7 apresenta a estrutura básica de um processo de identificação.
FIGURA 7: PROCEDIMENTO PARA IDENTIFICAÇÃO DE PROCESSOS. 
Fonte: Coelho e Coelho (2004)
A proposta da identificação de sistemas é alcançar um modelo matemático que 
aproxime a relação de causa e efeito presente nos dados. Assim, as etapas fundamentais 
de um problema de identificação, conforme Aguirre (2007), são as seguintes:
• Identificação por teste de resposta ao degrau: este teste, por sua natureza, 
não permite a estimação de modelos de ordem superior, devido à composição 
de frequências limitada do sinal degrau. Utilizando a curva de resposta do 
processo, diversas técnicas gráficas, numéricas ou computacionais podem ser 
aplicadas para modelar o sistema por meio de funções de transferência de 
primeira e segunda ordem.
• Identificação por teste de resposta em frequência: neste método, o sistema 
é excitado por uma entrada harmônica (sinal senoidal). Com base nas curvas 
de magnitude e fase, é possível identificar as frequências de corte (avaliando a 
influência dos zeros e polos) e, consequentemente, a função de transferência.
• Testes dinâmicos e coleta de dados: como a identificação visa obter modelos 
a partir de dados, é imprescindível gerar tais dados.
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
39
• Escolha da representação matemática: em problemas de identificação 
determinística, são empregadas funções de transferência em tempo contínuo.
• Determinação da estrutura do modelo: para modelos lineares, a escolha da 
estrutura se concentra essencialmente no número de polos e zeros, além da 
determinação do atraso puro de tempo.
• Estimação de parâmetros: esta etapa inicia com a seleção do algoritmo a ser 
empregado.
• Validação do modelo: após obter uma família de modelos, é crucial verificar se 
eles incorporam ou não as características de interesse do sistema original.
A identificação de sistemas explora abordagens alternativas de modelagem 
matemática. Nestas abordagens, os tipos de modelos e os requisitos são notavelmente 
diferentes dos usados na modelagem baseada na natureza do processo. Além disso, a 
identificação de sistemas geralmente é preferível devido à sua exigência de pouco ou 
nenhum conhecimento prévio do sistema (Aguirre, 2007).
Para processos industriais, é possível obter dados para o desenvolvimento de 
modelos matemáticos por meio de experimentos, como procedimentos estatísticos e 
filtragem de dados. O modelo final é expresso pela função de transferência, que representa 
o entendimento da relação entre os sinais de entrada e saída (Coelho & Coelho, 2004).
2.2 Diagrama de Blocos e Sistemas de controle
Diagrama de blocos é uma forma de representar a inter-relação de cada componente 
de um circuito. Neste tipo de diagrama, todas as variáveis do sistema são ligadas umas 
às outras por meio de blocos funcionais. Normalmente, dentro dos blocos, encontra-se a 
função de transferência, que representa a relação matemática entre a entrada e a saída do 
sistema. Por sua vez, os blocos são conectados por setas, indicando a direção do fluxo do 
sinal. A Figura 9 ilustra a forma de representar um elemento no diagrama de blocos.
FIGURA 9: REPRESENTAÇÃO DE UM ELEMENTO NO DIAGRAMA DE BLOCOS
Fonte: O autor (2024)
A seta que aponta para o bloco representa a entrada do fluxo, ao passo que a que 
aponta para fora do bloco representa a saída. Essas setas são designadas como sinais. 
Uma das vantagens de trabalhar com esse tipo de representação é que, de modo geral, 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
40
facilita a leitura do fluxo de sinal de um circuito. Essa representação possibilita a avaliação 
da função de cada componente para o desempenho global do sistema. 
Os diagramas de blocos podem ser arranjados tanto em malha aberta quanto em 
malha fechada. No arranjo em malha aberta, ilustrado na Figura 10, o sinal de saída não 
tem efeito na ação de controle. Dessa forma, o sinal não é medido e nem há realimentação.
FIGURA 10: SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA ABERTA 
Fonte: O autor (2024)
Para Gomes (2000), utiliza-se o termo controle para expressar a ideia de comando 
ou regulação. No arranjo em malha fechada, o sinal de saída possui efeito direto no sinal 
de controle. Neste tipo de sistema, a realimentação é utilizada para enviar o sinal de erro 
de volta para o controlador, e, deste modo, eliminá-lo.
A Figura 11 ilustra o caso geral de um sistema de controle em malha fechada. A 
saída \( s \) é medida e comparada com o valor desejado, indicado através da referência \( r 
\). Em seguida, há o processamento dos dados através do controlador e a definição da ação 
do sinal de controle \( a \). As técnicas de controle são utilizadas na busca de estabilidade 
de uma ou mais variáveis dentro de uma determinada planta.
 
FIGURA 11: SISTEMA DE CONTROLE EM MALHA FECHADA 
Fonte: O autor (2024)
Um sistema de controle pode ser descrito como uma combinação de componentes 
conectados ou relacionados afim de se autorregular, ou regular um sistema nas redondezas. 
Este circuito é empregado na regulação de variáveis como temperatura, pressão e vazão 
(Aguierre 2007). Segundo Moraes (2001), um sistema tem como função processar um 
conjunto de dados na entrada e modificá-lo, gerando um novo conjunto de dados na saída.
O termo “planta” é empregado para se referir ao sistema que será o objeto de 
ação do controlador. As variáveis a serem controladas estão presentes nesta parte do 
processo. A saída do sistema, representada por \( s \), é medida pelo componente Sensor. 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
41
Em seguida, esse valor é comparado com a entrada no ponto de soma. A comparação entre 
a saída e o valor de referência é chamada de Erro, representado por e. Matematicamente 
o erro pode ser expresso como: 
e = r - s (1)
2.3 Tipos de controles
Segundo Aguierre (2007), as técnicas de controle podem ser classificadas em 
dois grandes grupos. O primeiro grupo é o de controle clássico, composto pelos seguintes 
controladores: controle liga-desliga (On-Off), controle auto-operado, controle proporcional, 
controle integrativo, controle proporcional integral derivativo, avanço de fase, atraso de fase 
e avanço e atraso de fase. 
O segundo grupo, denominado de controle moderno, engloba os seguintes 
dispositivos: controle multivariável, controle adaptativo, controle ótimo, controle não linear, 
controle preditivo, controle robusto e controle inteligente.
Cada um dos controles citados possui características que os tornam mais precisos 
para determinados tipos de situação. Neste trabalho, as simulações realizadas foram com os 
controles On-Off, proporcional, proporcional derivativo, proporcional integral e proporcional 
integral derivativo. Outros tipos de controles não foram testados, pois o software utilizado 
não contempla tais ferramentas.
2.3.1 Controlador On-off
Esta é a técnica mais barata e a mais simples de implementação. O controlador 
On-Off trabalha como uma chave, ligando e desligando o dispositivo responsável pela ação 
a ser controlada. O parâmetro deste controlador é o valor da temperaturafornecido pelo 
sensor. Dessa forma, o controlador On-Off trabalha ligando e desligando a fonte, mantendo 
a saída no valor determinado pelo setpoint. 
Neste dispositivo, o sinal a(t) do controlador on-off pode assumir apenas dois 
valores (ligado ou desligado) conforme a leitura do erro. Dessa forma, tem-se que:
Um exemplo clássico da aplicabilidade deste controlador está no Ar condicionado e 
nas geladeiras. Quando a temperatura está acima do setpoint, o controle liga o motor, fazendo 
com que a temperatura abaixe novamente. Quando atingido o setpoint, o motor desliga. O sinal 
do controlador on-off está ilustrado na Figura 12. Esta técnica é geralmente utilizada quando o 
sistema permite uma resposta com pequenas oscilações em torno do setpoint. 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
42
FIGURA 12: SINAL DE SAÍDA DO CONTROLADOR ON-OFF
Fonte: Bertulucci (2016)
2.3.2 Controlador Proporcional – P
Neste controlador, a saída a(t), comumente chamada de sinal de controle, é 
diretamente proporcional ao erro e(t). Matematicamente tem-se:
Adiciona-se a constante Kp, conhecida como ganho proporcional, com o intuito de 
remover o sinal de proporcionalidade entre as duas variáveis. Dessa forma, um controlador 
proporcional geral terá a seguinte equação característica para o sinal de controle:
Esta ação não interfere na forma do sinal de entrada do controlador; apenas introduz 
um fator de escalamento (amplificação ou redução) no valor a ser aplicado na entrada da 
planta. Através da Equação 4, vê-se que um controlador proporcional é essencialmente um 
amplificador com ganho ajustável.
O controlador proporcional deve responder à mudança de temperatura antes 
que ela saia da faixa desejada. De modo geral, os controles proporcionais aumentam ou 
diminuem a fonte de energia à medida que a temperatura atinge seu limite superior, inferior 
ou setpoint (Bertulucci, 2016).
2.3.3 Controlador Proporcional Derivativo – PD
O sinal gerado por um controlador proporcional derivativo, como o nome sugere, é 
proporcional ao erro e à sua taxa de variação. Pelo fato de o sinal ser proporcional à taxa 
de variação do erro, o modo derivativo não poderá ser usado sozinho, uma vez que só 
responde a regimes transientes.
A ação derivativa, quando combinada com a ação proporcional, tem a função de 
“antecipar” a ação de controle a fim de que o processo reaja mais rápido. Esta ação preditiva 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
43
tende a aumentar a estabilidade relativa do sistema e a tornar a resposta transitória do mesmo 
mais rápida (Gomes, 2000). A Equação (5) caracteriza a fórmula geral do sinal de um controle 
PD. Nessa expressão, Kd representa a constante derivativa que é dado por: Kd = Kp . Td.
2.3.4 Controlador proporcional integral – PI
Assim como o controlador PD, o controlador PI tem duas componentes em sua ação 
de controle. Ou seja, esta técnica gera uma saída proporcional ao erro (P) e proporcional à 
integral do erro (I).
A Equação (6) representa a forma característica do sinal de controle, que é expressa 
pela soma do sinal de controle proporcional e integra. Ki representa a constante integral e 
pode ser expressa como: Ki = Kp/Ti 
A Figura 13 representa as curvas de resposta em malha fechada de um controlador 
PI, para um valor constante de ganho proporcional (Kp), variando-se o tempo integral Ti. 
Quando o valor de Ti é grande, a aproximação da variável em relação ao ponto de ajuste é 
lenta. Quando Ti é pequeno, a variável oscila e demora a estabilizar. O ajuste ideal do valor 
de Ti é, na verdade, aquele que elimina o erro no menor tempo possível (Junior 2006).
 FIGURA 13: RESPOSTA DE UM CONTROLADOR PI
Fonte: Junior (2006)
2.3.5 Controlador proporcional integral derivativo – PID
A técnica de controle PID combina o controle proporcional com o controle integral e 
derivativo. Sendo assim, o PID permite que o sistema opere dentro de uma faixa proporcional 
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
http://www.citisystems.com.br/controle-pid/
44
da mesma forma que um controle proporcional faz, mas com duas características adicionadas 
que podem melhorar a estabilização da variável de controle. 
A ação integral está diretamente ligada à precisão do sistema, sendo responsável 
pelo erro nulo em regime permanente. O efeito desestabilizador do controlador PI é 
contrabalançado pela ação derivativa que tende a aumentar a estabilidade relativa do 
sistema ao mesmo tempo que torna a resposta do sistema mais rápida devido ao seu efeito 
antecipatório (Gomes, 2000).
A Equação (7) representa o sinal do controle PID, dado pela soma do sinal dos 
controles proporcional, integral e derivativo.
O controlador PID possui algumas características gerais que o possibilitam atingir 
o objetivo desejado, tais como: mínima sobre elevação ou overshoot, erro nulo em regime 
permanente e desempenho transitório adequado (SARAIVA, 2011). A resposta esperada 
para um controlador PID está ilustrado na Figura 14.
FIGURA 14: RESPOSTA PARA UM CONTROLADOR PID
Fonte: Saraiva (2011)
Sendo o overshoot o valor da saída que ultrapasse o valor da referência. O máximo 
sobrepasso é definido como a máxima diferença entre a saída e a entrada durante o período 
transitório, ou seja, o valor de pico máximo atingido pela resposta. O overshoot é expresso 
como uma porcentagem do valor final.
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
45
“A primeira regra de qualquer tecnologia utilizada nos negócios é que a automação aplicada a uma 
operação eficiente aumentará a eficiência. A segunda é que a automação aplicada a uma operação ineficiente 
aumentará a ineficiência.”
Autor: Bill Gates. Disponível: GATES, B. A Estrada do Futuro. São Paulo: Companhia das Letras, 1995.
REFLITA
A administração da produção trata da maneira pela qual as organizações produzem bens e serviços. O sistema 
Toyota de produção (Lean Manufacturing) tem revolucionado este modelo de gestão, acarretando resultados 
expressivos em ambientes industriais. O artigo “Lean Manufacturing em Associação à Automação Industrial: 
Estudo de Caso Aplicado à Indústria Moveleira” apresenta a aplicação da ferramenta Lean Manufacturing 
chamada Mapa de Fluxo de Valor, mostrando o estado atual e o estado futuro, em uma indústria moveleira. São 
mostrados também os procedimentos utilizados para a elaboração do Mapa de Fluxo de Valor atual e futuro, as 
modificações feitas no processo produtivo, os benefícios alcançados, as oportunidades de melhoria, bem como a 
redução do Lead Time no processo produtivo. Notam-se valores expressivos de redução de estoques e do lead 
time, conforme apresentado neste trabalho. 
Para saber mais, acesse: https://www.revistaespacios.com/a17v38n17/a17v38n17p24.pdf
SAIBA
MAIS
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
https://www.revistaespacios.com/a17v38n17/a17v38n17p24.pdf
46
Compreendemos, ao longo deste capítulo, a evolução e os fundamentos da teoria 
de controle de sistemas dinâmicos, desde os primórdios das aplicações simples até os 
avançados sistemas modernos. Desde o controle dos portões de Heron de Alexandria até 
os sofisticados sistemas de controle automático utilizados em mísseis e satélites, a busca 
por agir sobre algo para alcançar um objetivo tem sido constante.
Analisamos a distinção entre malha aberta e malha fechada, reconhecendo as 
características únicas de cada arranjo e as implicações práticas de sua implementação. 
Da mesma forma, exploramos a importância da identificação de sistemas na construção de 
modelos matemáticos precisos, permitindo-nos compreender e controlar efetivamente os 
sistemas dinâmicos.
Os diagramas de blocos emergem como uma ferramenta valiosa para representar e 
analisar a inter-relação dos componentes de um sistema de controle, proporcionando uma 
visão clara do fluxo de sinal e facilitando a avaliação do desempenho global do sistema.
Por fim, reconhecemos que a teoria de controle é uma área vasta e em constante 
evolução, com aplicações em uma ampla gamade sistemas dinâmicos. Ao dominar os 
conceitos fundamentais apresentados neste capítulo, estamos preparados para enfrentar 
os desafios e explorar as oportunidades que surgem no emocionante campo do controle de 
sistemas. Que este conhecimento nos guie na busca por soluções inovadoras e eficazes, 
contribuindo para o avanço da engenharia e da tecnologia.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
LEITURA COMPLEMENTAR
47
Olá, caro (a) estudante! 
Chegamos ao fim de mais uma unidade. Aqui, deixo a indicação de um e artigo que 
oferece uma visão geral das características básicas da automação industrial, destacando 
sua evolução, componentes e tendências. Além disso, aborda os impactos dessa revolução 
tecnológica, que impulsiona a produtividade, mas também pode resultar em desemprego. 
Explora a diferença entre mecanização e automação, a importância da instrumentação, os 
controladores lógicos programáveis e os sistemas de supervisão e controle de processos. 
Também discute as tendências futuras, como o uso de redes para automação e o protocolo 
Fieldbus Foundation como um possível padrão emergente.
Acesse para ler na íntegra: https://abre.ai/jRnr
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
https://abre.ai/jRnr
48
MATERIAL COMPLEMENTAR
FILME/VÍDEO
• Título: Apollo 13
• Ano: 1995.
• Sinopse: Três astronautas americanos a caminho de uma 
missão na Lua sobrevivem a uma explosão, mas precisam retornar 
rapidamente à Terra para poderem sobreviver, pois correm o risco 
de ficarem sem oxigênio. Além disto, existe o risco de, mesmo 
retornando, a nave ficar seriamente danificada, por não suportar o 
imenso calor na reentrada da órbita terrestre.
LIVRO
• Título: Introdução ao Controle de Processos
• Autor: Julio Elias Normey-Rico, Marcelo Menezes Morato, 
Maurício Katayama.
• Editora: Blucher.
• Sinopse: Neste livro, os elementos básicos da teoria de controle de 
processos são discutidos com uma abordagem voltada para iniciantes. 
Todas as análises são desenvolvidas integralmente no domínio do 
tempo, podendo ser compreendidas apenas com conhecimentos 
prévios básicos de física e cálculo. As principais estratégias de controle 
usadas na prática industrial são detalhadas neste livro: controle on-off, 
P, PI e PID. Aspectos práticos relacionados à implementação dessas 
técnicas também são detalhados, como a presença de perturbações, 
o ruído de medição e a saturação dos atuadores. Todas as etapas 
necessárias para o projeto de um sistema de controle básico são 
discutidas, desde a análise dos dados experimentais até a síntese da 
lei de controle e sua respectiva implementação em malha fechada. 
O livro também dispõe de diversos exercícios, problemas resolvidos 
e atividades propostas, além de roteiros para ensaios práticos que 
podem ser desenvolvidos em um kit experimental de baixo custo, 
proposto como uma plataforma prática de validação de técnicas de 
controle para iniciantes.
CONTROLE CLÁSSICO E MODERNOUNIDADE 2
Professor Me. Lucas Delapria Dias dos Santos
SISTEMAS 
DINÂMICOS E 
MODELAGEM3UNIDADEUNIDADE
PLANO DE ESTUDO
50
Plano de Estudos
• Modelos e Simulações.
• Simulações de Sistemas.
Objetivos da Aprendizagem
• Conhecer modelos físicos e matemáticos para simulações.
• Distinguir as classificações dos modelos matemáticas.
• Trabalhar com simulações de sistemas P, PI e PID.
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
51
A crescente complexidade dos sistemas atuais desafia a compreensão detalhada de 
seus funcionamentos e interações entre seus componentes. Nesse contexto, a simulação 
emerge como uma ferramenta crucial, permitindo a análise e avaliação de sistemas por 
meio de modelos simplificados que replicam o mundo real.
A simulação é especialmente útil no projeto de sistemas ainda não construídos, 
possibilitando a otimização prévia e a análise de condições operacionais diversas, inclusive 
cenários extremos. Além disso, é uma alternativa viável quando experimentar com o sistema 
real é impraticável ou arriscado, como em testes de capacidade máxima. Também é valiosa 
para ajustar a escala temporal de processos lentos e para treinamento virtual.
Embora poderosa, a simulação enfrenta limitações, incluindo a precisão da 
modelagem, custo e complexidade no desenvolvimento de modelos, e a dependência dos 
estímulos conhecidos do sistema.
Os modelos de simulação podem ser classificados em várias categorias, incluindo 
modelos físicos, matemáticos, lógicos e de sistemas discretos. Cada tipo de modelo apresenta 
características distintas e aplicações específicas, que veremos ao longo desta unidade.
Vamos lá?!
INTRODUÇÃO
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
52
A simulação, ou processo de simular, envolve a análise de um sistema por meio 
de um modelo simplificado que replica o sistema real, com o propósito de compreender 
seu funcionamento e avaliar seu desempenho. À medida que os sistemas atuais se tornam 
mais complexos, torna-se cada vez mais desafiador analisar todos os seus detalhes e, 
especialmente, a interação entre seus vários componentes. Nesse contexto, a simulação 
emerge como uma ferramenta extremamente vantajosa para o projeto de sistemas de 
controle, pois permite avaliar o sistema antes de sua construção e analisar suas condições 
de operação em uma ampla gama de situações, incluindo simulações de cenários extremos 
onde uma planta real poderia sofrer danos. Quando recorrer à simulação?
• No projeto de sistemas que ainda não foram construídos, possibilitando otimizar 
o sistema antes de sua implementação.
• Quando experimentar com o sistema real é inviável ou indesejável, como testar 
o comportamento em seu limite de capacidade ou além dele, o que poderia 
danificar o sistema real.
• Na compressão ou expansão da escala de tempo, em processos excessivamente 
lentos que demandariam longos períodos de testes práticos.
• Na avaliação do desempenho de sistemas, permitindo verificar se eles podem 
alcançar os objetivos esperados.
• No treinamento e na instrução, permitindo a operação virtual dos sistemas.
MODELOS E 
SIMULAÇÕES1
TÓPICO
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
53SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
• Limitações da simulação:
 ◦ Precisão e qualidade da modelagem: a simulação geralmente se baseia em 
um modelo simplificado do sistema, o qual, se não for elaborado com precisão 
suficiente, pode levar a resultados incorretos.
 ◦ O desenvolvimento de bons modelos pode ser caro e demorado, exigindo 
pessoal altamente especializado. Empresas especializadas em modelagem e 
simulação de processos são frequentemente contratadas para fornecer esse 
tipo de serviço.
 ◦ Os resultados dependem dos estímulos, então as variáveis de entrada do 
sistema devem ser completamente conhecidas.
Por definição, a simulação é realizada por meio de modelos do sistema, os quais 
podem ser classificados como:
• Modelos físicos;
• Modelos matemáticos;
• Modelos lógicos;
• Modelos de sistemas discretos;
• Modelos computacionais.
1.1 Modelos físicos
O modelo físico representa um protótipo do sistema a ser investigado, frequentemente 
com dimensões diferentes do original, mas mantendo relações físicas conhecidas com o 
modelo real. Exemplos incluem maquetes de edifícios, veículos em escala para experimentos 
em túneis de vento e pequenas plantas de processamento químico que reproduzem 
grandes instalações industriais. Ao desenvolver modelos físicos, é crucial considerar alguns 
conceitos importantes:
• Similaridade: consiste em manter uma correspondência entre as grandezas do 
modelo físico e do sistema real, seguindo um escalonamento apropriado.
• Escalonamento: envolve a redução dos parâmetros de um modelo, geralmente 
seguindo critérios geométricos, cinemáticos ou dinâmicos entre as variáveis 
independentes.
• Análise dimensional: examina os grupos de parâmetros que afetam o 
comportamento de um sistema e seu modelo, permitindo estudar o efeito da 
variação das relações físicas no modelo nosfenômenos em estudo. Por meio da 
análise dimensional, é possível determinar o escalonamento adequado para o 
modelo, mantendo a similaridade desejada com o sistema real.
54SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
1.2 Modelos matemáticos
Trata-se de um modelo abstrato cujas características são representadas por meio 
de símbolos matemáticos e suas relações. Ao elaborar modelos matemáticos, é crucial 
examinar algumas propriedades fundamentais desses sistemas, as quais têm implicações 
distintas no tipo de modelo. Com base nisso, os modelos matemáticos podem ser 
categorizados principalmente da seguinte maneira:
1.2.1 Linear ou não linear
Os sistemas lineares são caracterizados pela saída do sistema que mantém uma 
relação proporcional com o valor da entrada. Por outro lado, nos sistemas não lineares, essa 
relação direta pode estar ausente ou pode sofrer alterações em determinados momentos. Nos 
exemplos ilustrados na Figura 1, encontramos um sistema massa-mola linear e um sistema 
massa-mola no qual a mola apresenta dois estágios, resultando em um sistema não linear.
FIGURA 1: SISTEMA LINEAR E SISTEMA NÃO LINEAR
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
1.2.2 Concentrado ou distribuído
Os sistemas são designados como concentrados quando as variáveis podem ser 
examinadas de forma isolada, como se estivessem reunidas em um único ponto. Por outro 
lado, em sistemas distribuídos, é necessário analisar as variáveis levando em conta sua 
distribuição no espaço, o que acrescenta uma complexidade significativa à modelagem. 
No exemplo apresentado na Figura 2, observamos um sistema concentrado, onde toda 
a massa do sistema é considerada reunida na esfera, e um sistema distribuído, no qual a 
massa está espalhada ao longo da própria mola.
55SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
FIGURA 2: SISTEMA COM PARÂMETROS CONCENTRADOS (SISTEMA A) E SISTEMA 
COM PARÂMETROS DISTRIBUÍDOS (SISTEMA B)
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
1.2.3 Estacionário ou não estacionário
Se os atributos de um sistema sofrem mudanças ao longo do tempo (por exemplo, 
a massa de um foguete), o sistema é categorizado como não estacionário ou variável no 
tempo; do contrário, é denominado estacionário ou invariável no tempo.
Observe a Figura 3:
FIGURA 3: SISTEMA ESTACIONÁRIO E SISTEMA NÃO ESTACIONÁRIO
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
1.2.4 Determinístico ou aleatório
Se as grandezas são claramente definidas em cada momento, seja com um pulso 
ou uma onda senoidal, o sistema é considerado determinístico. Se o valor de cada grandeza 
é estabelecido em uma abordagem probabilística, o sistema é categorizado como aleatório. 
Consulte a Figura 4:
56SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
FIGURA 4: SISTEMA DETERMINÍSTICO E SISTEMA ALEATÓRIOS
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
1.2.5 Contínuo ou amostrado
Geralmente, as grandezas experimentam mudanças contínuas ao longo do tempo, 
resultando em um sistema classificado como contínuo. No entanto, essas grandezas podem 
ser intermitentes ou amostradas, levando o sistema a ser considerado amostrado (NISE, 
2012). Quando o sistema é controlado digitalmente ou em simulações computacionais, os 
modelos amostrados são predominantemente empregados.
FIGURA 5: DADOS CONTÍNUOS E DADOS AMOSTRADOS
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
1.3 Representação de modelos matemáticos
De acordo com a representação, os modelos matemáticos podem ser classificados em:
• Equações: as expressões matemáticas que descrevem o modelo podem ser 
categorizadas com base nos mesmos critérios usados para classificar os sistemas: 
lineares ou não lineares, equações ordinárias ou parciais (envolvendo parâmetros 
concentrados ou distribuídos), com parâmetros variáveis ou constantes no tempo, 
57SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
determinísticas ou estocásticas, e contínuas ou discretas no tempo (através de 
diferenças finitas) (NISE, 2012).
• Tabelas: quando enfrentamos consideráveis desafios para deduzir conexões 
algébricas entre os dados que desejamos modelar, a utilização de tabelas 
matemáticas para representação torna-se crucial. Isso é particularmente comum 
em sistemas não lineares com mais de duas dimensões, como no modelamento 
de motores e no desempenho de aeronaves (NISE, 2012).
• Gráficos: os recursos visuais são fundamentais para compreender a organização 
dos sistemas e englobam as seguintes classificações:
• Gráfico da função: apesar de possuirmos o conhecimento da expressão 
matemática que descreve uma relação, é viável trocá-la por sua representação 
visual, visando facilitar a interpretação do usuário ou economizar tempo de 
processamento ao implementar esse modelo em um computador (NISE, 2012).
• Diagramas de blocos: é uma das maneiras que tornam a compreensão de 
sistemas complexos mais acessível. Existem procedimentos que nos possibilitam 
determinar uma função de transferência global a partir das funções de transferência 
mais básicas de blocos individuais. Considere a Figura 6, que ilustra o diagrama 
de blocos de um sistema (NISE, 2012).
FIGURA 6: DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
Existe uma representação similar àquela feita por diagramas de blocos, contudo, 
fundamentada no fluxo de sinais pelo sistema. Ela também oferece uma lógica para a 
composição das relações do sistema. Entretanto, é consideravelmente menos empregada 
do que a representação por diagramas de blocos, pois é menos intuitiva e suas operações 
são mais elaboradas.
58SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
1.4 Modelos lógicos
De acordo com Ogata (2015), a álgebra booleana, concebida por Robert Boole no 
século XIX, é utilizada em circuitos comutadores, fornecendo um arcabouço teórico para 
lidar com variáveis que possuem apenas dois valores (0 ou 1). Os modelos lógicos podem 
ser expressos por meio de diferentes representações:
• Álgebra booleana: as relações entre as variáveis do sistema são descritas por 
equações lógicas ou booleanas.
• Tabelas lógicas: as relações entre as variáveis do sistema são ilustradas por 
mapas de Karnaugh.
• Gráficos lógicos: as interações entre as variáveis do sistema são mostradas 
em gráficos, onde portas lógicas representam as operações fundamentais NOR, 
OR e AND.
• Máquinas de estado: é uma representação visual da dinâmica de um sistema 
lógico, no qual as variáveis possuem um número limitado de estados.
1.5 Modelos de sistemas discretos e computacionais
Os sistemas discretos baseados em eventos são aqueles em que as variáveis 
de estado sofrem mudanças apenas em momentos específicos do tempo. Esse cenário 
é comum em sistemas representados por modelos lógicos. No entanto, por ser uma área 
de conhecimento vasta e bem definida, com sua própria bibliografia e terminologia, uma 
distinção didática é estabelecida.
Já os modelos computacionais podem ser resumidos como sendo a conversão dos 
modelos matemáticos ou lógicos para linguagem computacional.
As linguagens e tecnologias disponíveis atualmente possibilitam a tradução 
automática e praticamente transparente dos modelos matemáticos para modelos 
computacionais. No entanto, é importante ressaltar que todo modelo computacional é, 
essencialmente, um modelo lógico, já que os computadores digitais operam com base na 
lógica binária (OGATA, 2015).
Em certos casos, podem surgir diferenças significativas entre esses modelos, o que 
pode resultar em erros graves nos resultados obtidos se os parâmetros de simulação não forem 
configurados corretamente. Por exemplo, em um modelo computacional com um intervalo de 
integração de 1 segundo, o modelo matemático é calculado pelo computador a cada segundo. 
Nesse cenário, qualquer mudança no sistema que ocorra mais rapidamente do que esse 
intervalo não será considerado, o que pode levar a erros no resultado final (OGATA, 2015).
59
Nesta aula, exploraremos diversos softwares comerciais de simulação e suas 
características, além de utilizar um sistema de simulação baseado em planilhas de cálculopara 
analisar o funcionamento e as respostas de um sistema de controle de temperatura de um forno, 
quando controlado por sistemas on-off e PID. Como discutido na aula anterior, existem inúmeras 
abordagens para a modelagem e simulação de sistemas. A escolha do método de modelagem 
a ser adotado depende principalmente da natureza do sistema em questão (OGATA, 2015).
A simulação de um sistema contínuo geralmente envolve modelagem matemática, 
utilizando blocos de funções para representar as variáveis e suas interações. Pode-se 
optar também pela modelagem direta em forma de equações matemáticas, solucionando 
o problema de maneira analítica, ou pela discretização, empregando métodos numéricos. 
Por outro lado, a simulação de uma linha de produção ou montagem requer a utilização 
de modelos lógicos discretos, para os quais são necessários softwares específicos para 
resolução. Nesse contexto, uma variedade de softwares está disponível, permitindo a 
modelagem direta do problema de forma gráfica na interface do usuário (OGATA, 2015).
SIMULAÇÃO DE 
SISTEMAS2
TÓPICO
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
60SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
QUATRO 1: EXEMPLOS DE SOFTWARE PARA SIMULAÇÃO
Fonte: O autor (2024)
2.1 Simulação de um controle on-off
O ponto inicial para conduzir uma simulação consiste em examinar o sistema, 
compreendendo seu funcionamento e elaborando o modelo simplificado que será 
empregado. Na Figura 7, temos a representação do nosso sistema.
FIGURA 7: SIMULAÇÃO DE UM CONTROLE ON-OFF
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
• Qentrada = Calor fornecido pela chama, com potência constante;
• Qsaída = Calor perdido do forno para o ambiente;
• T = Temperatura medida pelo sensor;
61SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
• M = motor que controla a abertura da válvula de gás, neste caso apenas com
• duas posições: aberto e fechado.
Observamos que nossa variável controlada corresponderá à temperatura do forno, 
enquanto nossa variável manipulada será a abertura da válvula de gás, que, neste cenário, 
terá apenas duas posições: aberta e fechada (naturalmente, supondo que o queimador 
esteja equipado com um sistema de ignição automática). Portanto, a modelagem do sistema 
se resume a apenas duas condições lógicas.
• Se T < (Setpoint - Histerese) Abre a válvula.
• Se T > (Setpoint + Histerese) Fecha a válvula.
Exemplo:
• Setpoint = 100ºC
• Histerese = 5ºC
 ◦ Se T < 95ºC → Liga o aquecedor.
 ◦ Se T > 105ºC → Desliga o aquecedor.
Ao inserir esses dados na planilha, conseguimos analisar o desempenho do sistema 
por meio dos gráficos de temperatura (representados em azul) e de operação da válvula 
(indicados em vermelho), conforme ilustrado na Figura 8.
FIGURA 8: SIMULAÇÃO DO SISTEMA ON-OFF COM HISTERESE DE 5ºC
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
62SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
Para examinar o efeito da histerese no controle, podemos simular o sistema 
ajustando a histerese para 1°C, momento em que observaremos o gráfico conforme 
mostrado na Figura 9.
FIGURA 9: SIMULAÇÃO DO SISTEMA ON-OFF COM HISTERESE DE 1ºC
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
Ao analisar os gráficos, podemos avaliar o desempenho do sistema em cada uma 
das configurações. Com um valor elevado de histerese, observamos uma ampla flutuação 
de temperatura, mas um menor número de ciclos de ativação e desativação. Por outro lado, 
com uma histerese baixa, a variação de temperatura é reduzida, porém, há um aumento 
significativo no número de ciclos, o que pode causar desgaste ao sistema, caso não seja 
projetado para essa operação.
Com base nessas informações, podemos determinar a melhor configuração para 
o sistema ou avaliar sua viabilidade. Se for necessário manter uma variação mínima na 
temperatura, pode ser mais adequado optar por um sistema de aquecimento elétrico, uma 
vez que ofereceria uma resposta mais rápida e menor desgaste devido aos ciclos.
2.2 Simulação de um controle PID
Na Figura 10 que segue temos a representação do nosso sistema.
63SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
FIGURA 10: SIMULAÇÃO DE UM CONTROLE PID
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
• Qentrada = Calor fornecido pela chama, proporcional à abertura da válvula de 
gás;
• Qsaída = Calor perdido do forno para o ambiente;
• T = Temperatura medida pelo sensor;
• Setpoint = Temperatura configurada pelo operador.
• P = Ganho proporcional.
• I = Ganho integral.
• D = Ganho derivativo.
Neste sistema, enfrentamos uma modelagem mais intricada. Na prática, o objetivo 
do controlador é regular o grau de abertura da válvula de gás e, consequentemente, a 
potência da chama, buscando manter a temperatura o mais próxima possível do valor de 
referência. A válvula de controle do gás é do tipo proporcional, o que significa que possui 
um motor capaz de comandar qualquer grau de abertura, variando de 0 (totalmente 
fechada) a 100% (totalmente aberta).
Esse controle é principalmente baseado no ERRO, que corresponde à diferença 
entre a temperatura atual do forno e a temperatura de referência. Em nossa simulação, 
esse erro é calculado a cada décimo de segundo, juntamente com os valores derivativos e 
integrais. Esses dados são então utilizados para ajustar a chama no momento específico. 
Para avaliar a resposta do sistema, é comum aplicar uma mudança abrupta no valor de 
referência, conhecida como degrau. Após essa mudança, o controlador tentará rapidamente 
ajustar a temperatura para o novo valor desejado. Como é conhecido, essa reação do 
controlador pode ser ajustada por meio dos parâmetros P, I e D.
64SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
2.3 Controle proporcional
Quando os parâmetros I e D são ajustados para zero, obtemos um controlador 
puramente proporcional, conforme ilustrado na Figura 11.
FIGURA 11: CONTROLADOR PROPORCIONAL
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
Conforme esperado, o sistema responde à alteração do setpoint, ajustando a 
válvula para elevar a temperatura. No entanto, após atingir a estabilidade, persiste um erro, 
indicando que o valor real não coincide exatamente com o valor definido no setpoint. Ao 
aumentarmos o ganho proporcional, observamos uma melhoria no tempo de resposta e 
uma diminuição no erro final, até o ponto em que o sistema começa a oscilar.
FIGURA 12: CONTROLADOR PROPORCIONAL INICIANDO A OSCILAÇÃO
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
65SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
2.4 Controle proporcional-integral
Observamos que o controle proporcional reage rapidamente, porém sempre apresenta 
um erro residual (offset). Para obter maior precisão, é introduzido um controle integral.
FIGURA 13: CONTROLE PI ELIMINANDO O OFF-SET
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
No entanto, se aumentarmos excessivamente o valor do ganho integral, 
observaremos uma tendência de ocorrer um pico, no qual a variável controlada ultrapassa 
o valor do setpoint antes de se estabilizar. Isso é conhecido como overshoot. Na Figura 14, 
podemos visualizar essa situação em nosso simulador.
FIGURA 14: AÇÃO INTEGRAL CAUSANDO OVERSHOOT
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
66SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
2.5 Controle proporcional-derivativo
A função derivativa visa estabilizar o sistema em caso de mudanças abruptas 
nas condições de controle. Isso permite o uso de ganhos proporcionais mais elevados, 
resultando em uma melhoria no tempo de resposta do sistema.
FIGURA 15: AÇÃO DERIVATIVA ESTABILIZANDO O SISTEMA
(COMPARE COM A FIGURA 8.7)
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
Entretanto, um coeficiente derivativo excessivamente elevado também induz a 
instabilidade no sistema. Isso pode ser observado ao aumentar o valor do ganho derivativo 
na simulação.
2.6 Controle proporcional-integral-derivativo
Para alcançar o desempenho ótimo do sistema de controle, geralmente se emprega 
um sistema que combina as três estratégias de controle, isto é, um controle PID.
67SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
FIGURA 16: SISTEMA COM CONTROLE PID
Fonte: Adaptadode Capelli (2004)
Na Figura 16, podemos observar a simulação do nosso sistema, empregando um 
controle PID. O objetivo é sempre alcançar a correção da temperatura da maneira mais 
rápida possível, minimizando o erro e mantendo a estabilidade.
Neste gráfico, é evidente que há um período de transição prolongado devido às 
oscilações no sistema. Isso indica que o sistema está próximo da instabilidade. Portanto, 
é necessário aplicar as técnicas de ajuste discutidas anteriormente para ajustar os 
parâmetros, considerando o impacto de cada um na resposta do sistema. Na Figura 17, 
podemos observar um exemplo da resposta do sistema com os ajustes otimizados. Sinta-
se à vontade para realizar esses testes na planilha.
FIGURA 17: CONTROLE PID AJUSTADO PARA UMA RESPOSTA RÁPIDA E ESTÁVEL
Fonte: Adaptado de Capelli (2004)
68
O artigo “SINTONIA DE CONTROLADORES P.I.D.” descreve quais as características principais 
das várias ações de controlo, constitutivas, de um P.I.D., e exemplifica alguns métodos práticos de sintonia 
e por fim é apresentado um método analítico de sintonia baseado no Root-locus.
Para saber mais sobre este método, e sobre sistemas P.I.D., acesse o link a seguir: http://
alvarestech.com/temp/smar/2019/PID-LugarDasRaizes-Matlab-Tutorial.pdf
SAIBA
MAIS
A era da automação teve início quando a humanidade abandonou os métodos manuais de 
produção em favor da utilização de máquinas.
Fonte: O autor (2024)
REFLITA
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
Hoje em dia, dispomos de uma ampla gama de softwares de simulação à nossa 
disposição. A escolha mais adequada para resolver um determinado problema depende 
principalmente do tipo de modelo selecionado para representar o sistema. Como exemplo de 
simulação de sistemas de controle, realizamos a simulação do controle de temperatura de um 
forno. Utilizamos um modelo matemático/computacional que foi resolvido por meio de uma 
planilha eletrônica. Embora essa simulação seja simples, ela nos permite analisar o sistema 
de controle em várias condições, desde um sistema on-off até um sistema PID completo. Além 
disso, permite examinar o impacto da variação de cada um dos controles na resposta do sistema.
http://alvarestech.com/temp/smar/2019/PID-LugarDasRaizes-Matlab-Tutorial.pdf
http://alvarestech.com/temp/smar/2019/PID-LugarDasRaizes-Matlab-Tutorial.pdf
69
Ao concluir esta unidade, fica claro que a simulação se apresenta como uma ferramenta 
essencial para lidar com a crescente complexidade dos sistemas atuais. Nosso estudo revelou 
que a simulação oferece uma maneira eficaz de compreender o funcionamento e as interações 
entre os componentes de sistemas complexos, fornecendo uma abordagem simplificada, mas 
representativa, do mundo real. Exploramos as diversas aplicações da simulação, desde o 
projeto de sistemas ainda não construídos até o treinamento virtual, destacando sua utilidade 
em situações onde experimentar com o sistema real é impraticável ou arriscado.
No entanto, também reconhecemos as limitações da simulação, incluindo desafios 
relacionados à precisão da modelagem, custo e complexidade no desenvolvimento de 
modelos, e a dependência dos estímulos conhecidos do sistema. É crucial manter uma 
compreensão clara dessas limitações ao empregar a simulação como uma ferramenta de 
análise e avaliação de sistemas.
Ao longo desta unidade, exploramos diferentes tipos de modelos de simulação, desde 
modelos físicos até modelos matemáticos, lógicos e de sistemas discretos. Cada tipo de modelo 
possui suas características distintas e aplicações específicas, demonstrando a diversidade de 
abordagens disponíveis para enfrentar os desafios da simulação de sistemas complexos.
Por fim, ao avançar para o próximo tópico sobre simulação de sistemas, esperamos 
aplicar o conhecimento adquirido para explorar diversos softwares comerciais de simulação e 
suas características, além de utilizar um sistema de simulação baseado em planilhas de cálculo 
para analisar o funcionamento e as respostas de um sistema de controle de temperatura de um 
forno. Essa experiência prática nos permitirá aprofundar nossa compreensão da simulação e 
suas aplicações em contextos específicos de engenharia e controle de sistemas.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
LEITURA COMPLEMENTAR
70
A simulação está sendo cada mais utilizada no ensino das engenharias. Ela permite 
que o aluno realize testes, modifique parâmetros, visualize inúmeras situações, de modo a 
obter um ganho em termos de aprendizagem, visto que o mesmo pode, em curto espaço de 
tempo, trabalhar com inúmeros conceitos ao mesmo tempo. Este artigo visa apresentar um 
programa computacional interativo para simulação e otimização de controladores PID a ser 
utilizado nas disciplinas dos cursos de Engenharia Elétrica, Engenharia de Computação e 
Engenharia de Controle e Automação. Tais controladores têm o uso difundido nas indústrias, 
sendo muitas vezes problemático fazer a sintonia dos mesmos apenas por tentativa e erro.
Para saber mais, acesse o seguinte link: http://www.ilanet.com.br/portal/pub/Ilanet/
CurriculoFabioCamaraAraujoDeCarvalho/cobenPID.pdf
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
http://www.ilanet.com.br/portal/pub/Ilanet/CurriculoFabioCamaraAraujoDeCarvalho/cobenPID.pdf
http://www.ilanet.com.br/portal/pub/Ilanet/CurriculoFabioCamaraAraujoDeCarvalho/cobenPID.pdf
71
MATERIAL COMPLEMENTAR
FILME/VÍDEO
• Título: Piratas da Informática
• Ano: 1999.
• Sinopse: O filme mostra como o co-fundador da Apple, Steve 
Jobs, e o co-fundador da Microsoft, Bill Gates, mudaram o jeito 
de as pessoas viverem e se comunicarem com a criação das 
duas maiores empresas de informática do mundo e seus sistemas 
operacionais. De acordo com os professores do Instituto Mauá de 
Tecnologia, o filme utiliza conceitos importantes para engenharia 
de empreendedorismo – administração, economia e gestão de 
negócios - para telecomunicações – engenharia eletrônica – para 
sistemas operacionais , design de sistemas e produto e também 
para programação – engenharia de computação.
LIVRO
• Título: Sintonia Automática de Controlador Pid - Método de 
resposta ao degrau e implementação em Clp
• Autor: Marcos Aurelio Dal Magro.
• Editora: Dialética.
• Sinopse: Este trabalho trata da sintonia automática de controladores 
do tipo PID (proporcional integral e derivativo) e sua implementação 
em CLP (controlador lógico programável). São apresentadas, 
analisadas e simuladas estruturas típicas de controladores PID e as 
características adicionais necessárias para utilização, na prática. O 
método de identificação utilizado é baseado na resposta ao degrau 
de sistemas tipicamente FOPDT (primeira ordem mais tempo morto) 
e SOPDT (segunda ordem mais tempo morto), com identificação 
via modelo FOPDT. Várias técnicas de identificação e sintonia são 
também apresentadas, simuladas e analisadas, optando-se neste 
trabalho pela implementação prática do método de identificação 
de Smith e sintonia via método de Chien-Hrones-Reswick. Por 
fim, são comparados os desempenhos dos métodos de sintonia 
apresentados via plataforma de programação Codesys. A solução 
proposta mostrou-se satisfatória dentro das limitações e condições 
apresentadas, atendendo às expectativas e requisitos esperados.
SISTEMAS DINÂMICOS E MODELAGEMUNIDADE 3
Professor Me. Lucas Delapria Dias dos Santos
TECNOLOGIAS 
E SISTEMAS 
AUTOMATIZADOS4UNIDADEUNIDADE
PLANO DE ESTUDO
73
Plano de Estudos
• Automação na indústria.
• Microcontroladores.
• Controlador lógico programável (CLP).
Objetivos da Aprendizagem
• Exemplificar a automação na indústria.
• Conceituar microcontroladores e seus componentes.
• Apresentar o Controlador Lógico Programável.
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
74
Você já parou para pensar sobre como um computador industrial opera? Esses 
sistemas complexos são projetados para ler uma variedade de sensores, processar dados 
e executar cálculos, tudoisso enquanto se comunicam em rede e controlam dispositivos 
físicos. São essenciais para manter as variáveis críticas estáveis em processos industriais, 
atuando como verdadeiros “cérebros” por trás das operações de produção.
Mas como funciona o processo de tomada de decisões em situações tão diversas 
quanto selecionar um andar em um elevador ou controlar a dosagem de ingredientes em 
um processo industrial? A resposta está nos dispositivos programáveis, que desempenham 
um papel fundamental na automação de uma ampla gama de processos.
Os dispositivos programáveis estão cada vez mais presentes em nossa vida 
cotidiana, tornando possível a automação de uma ampla gama de tarefas. Este capítulo 
é apenas o começo de nossa jornada pelo mundo da automação industrial. Nos próximos 
capítulos, vamos nos aprofundar em diferentes tipos de dispositivos programáveis e explorar 
suas aplicações em diversas áreas da indústria moderna. Prepare-se para uma viagem 
fascinante pelo universo da automação industrial!”
INTRODUÇÃO
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
75
Você está familiarizado com o funcionamento de um computador industrial? Esses 
sistemas são projetados para ler uma variedade de sensores que monitoram diversas 
variáveis. Eles têm a capacidade de processar esses dados e executar cálculos complexos, 
além de se comunicar em rede. Além disso, podem controlar dispositivos como motores 
e válvulas. Esses computadores são fundamentais no controle de processos industriais, 
atuando como uma espécie de “cérebro” que mantém estáveis as variáveis críticas para a 
produção dos produtos que desejamos.
Você já se perguntou como funciona o processo de seleção de andares quando você 
entra em um elevador e pressiona o número desejado? Quem está por trás dessa tarefa? 
Como o elevador pode se mover até o andar desejado e ainda responder aos chamados de 
outras pessoas ao longo do caminho? E como ele consegue fazer isso suavemente para 
garantir o conforto dos passageiros?
Desde os primórdios da indústria, a necessidade de controlar processos tem sido 
evidente, mas naquela época, a tecnologia não estava tão avançada quanto hoje, então as 
ideias sobre controle muitas vezes ficavam apenas no papel. Hoje, podemos contar com 
plataformas computacionais baseadas em microprocessadores e microcontroladores, que 
têm a capacidade de interpretar dados de entrada, processá-los rapidamente e acionar 
dispositivos de saída com eficiência.
Seja a trajetória de voo de um avião, a velocidade de um elevador ou a dosagem 
de ingredientes em um medicamento, tudo é programado. Cada necessidade da 
indústria é atendida por tecnologias que acionam dispositivos com base em entradas e 
AUTOMAÇÃO NA 
INDÚSTRIA1
TÓPICO
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
76TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
comparações com valores predefinidos por software. Tudo isso é viabilizado pelos materiais 
semicondutores estudados ao longo do século XX, que possibilitaram a fabricação de 
dispositivos programáveis, memórias, circuitos lógicos e outros periféricos que permitem a 
comunicação de dados e o controle de processos industriais.
Para uma reflexão sobre nossa jornada até aqui, convido você a considerar um 
exemplo de processo industrial na fabricação de rações para aves, como frangos.
Neste processo, a indústria utiliza uma variedade de sensores em diferentes etapas, 
desde a chegada da matéria-prima até o acompanhamento dos pacotes finais de ração. 
Esses sensores abrangem diversas tecnologias, incluindo:
• Células de carga (sensores piezoelétricos) para medir o peso da mistura, 
geralmente integradas às balanças nos silos.
• Sensores capacitivos para determinar o nível dos reservatórios.
• Sensores fotoelétricos para detectar a presença de embalagens durante o 
processo de empacotamento.
• Sensores de temperatura para monitorar as condições térmicas em diferentes 
áreas do processo, como motores e misturadores.
Também existem atuadores que têm a capacidade de acionar os eixos dos 
trituradores de grãos ou os poderosos misturadores de toneladas de cereais moídos, que se 
integram aos outros ingredientes. Estes incluem motores elétricos de alimentação trifásica, 
válvulas, dispositivos de sinalização, servomecanismos, entre outros.
A interação entre os sensores e os atuadores depende de uma entidade capaz 
de interpretar os dados enviados pelos sensores, inseri-los na lógica de programação 
existente (geralmente programada por um profissional da área de Automação Industrial) e, 
com base em valores predefinidos, manipular variáveis que afetam diretamente o controle 
da velocidade dos eixos dos motores, o ângulo de abertura das válvulas ou a posição dos 
cabeçotes de corte em uma máquina CNC (OGATA, 2015).
Agora é hora de nos aprofundarmos: vamos determinar como as entidades de 
entrada e saída podem interagir com a entidade de controle, realizando uma análise dos 
tipos de entradas e saídas mencionados neste exemplo, usando uma planilha que relacione 
cada entrada ou saída com seu tipo (analógico ou digital). Este exercício visa reconhecer as 
necessidades de hardware de cada controlador em diferentes situações. Mais tarde, essa 
análise se tornará mais clara quando examinarmos um processo industrial como um todo.
Bem-vindo(a) a esta nova etapa de nosso estudo sobre Automação Industrial. 
Desta vez, vamos abordar um dos tópicos mais aguardados: os dispositivos programáveis. 
77TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
A partir desta etapa, vamos explorar alguns dos dispositivos programáveis mais relevantes 
utilizados na indústria, que podem ser aplicados em processos de pequena, média e grande 
escala (OGATA, 2015). 
Você já notou como a qualidade dos serviços e a aparência dos produtos têm 
melhorado nos últimos anos? Isso ocorre porque nos tornamos mais exigentes. Com a 
adoção de tecnologias precisas, não toleramos mais atrasos na execução de tarefas ou 
produtos fabricados sem um rigoroso controle de qualidade (OGATA, 2015). Estamos 
imersos em um mundo digital, onde o simples pressionar de um botão nos capacita a 
realizar operações bancárias, pagar contas, ler este livro ou até mesmo enviar mensagens 
para pessoas distantes, além de compartilhar aquela foto nas redes sociais (OGATA, 2015). 
Embora todas essas ações façam parte de nossa rotina e sejam apreciadas, é 
importante destacar que essas tecnologias e facilidades dependem dos dispositivos 
programáveis. Eles já se integraram tão profundamente em nosso cotidiano que muitas 
vezes nem percebemos sua presença (OGATA, 2015). 
Lembra daquela manhã chuvosa e preguiçosa de segunda-feira, quando o despertador 
persistia em tentar nos acordar, marcando o início de mais um dia de trabalho? Pois é, aquele 
despertador desagradável, porém essencial, é um dispositivo programável, permitindo-nos 
configurar o horário desejado para despertar e cumprindo essa função com precisão.
Você já utilizou um micro-ondas para aquecer alimentos, certo? Ao definir o tempo e 
a intensidade de calor, você estava programando o computador embutido no aparelho para 
executar exatamente essa instrução. O mesmo ocorre quando você programa uma máquina 
de lavar para realizar a limpeza das roupas, seguindo ciclos específicos dependendo do 
tipo de tecido. Interessante, não é?
Para executar programas ou, como são comumente chamados hoje, “apps” 
(aplicativos), é necessário o uso de dispositivos de memória, que armazenam e executam o 
programa, além da unidade de processamento: o microprocessador ou microcontrolador. Esta 
última é encontrada em nossos smartphones, relógios digitais, máquinas de lavar, entre outros 
dispositivos. Nesta unidade, exploraremos mais a fundo as tecnologias que tornam possível o 
funcionamento do mundo digital ao qual estamos habituados. O conceito amplo de dispositivos 
programáveis não se limita apenas aos dispositivos eletrônicos familiares, mas abrange todosos dispositivos capazes de executar tarefas de acordo com um conjunto específico de regras, 
seja temporalmente ou sequencialmente determinadas (OGATA, 2015). 
Ao pressionarmos o botão “liga” de uma máquina de lavar roupas moderna, um sistema 
complexo é ativado para executar uma sequência de tarefas que resultará em roupas limpas (ou 
78TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
pelo menos deveria). Essa sequência, realizada pela máquina de lavar, é essencialmente uma 
programação que, em máquinas sofisticadas, é armazenada em uma memória eletrônica. Essa 
memória é semelhante àquela encontrada em um pendrive usado para armazenar arquivos, 
mas neste caso, ela armazena instruções a serem executadas pelo dispositivo (OGATA, 2015). 
A presença de dispositivos programáveis está crescendo de forma significativa, possibilitando o 
acesso a dados de indicadores de produção cada vez mais precisos e dinâmicos. 
Um exemplo disso é ilustrado na Figura 1, onde um transmissor de vazão industrial 
está coletando e transmitindo dados do processo diretamente para os controladores e 
registradores. Esses dispositivos interpretam esses dados, gerando estatísticas de produção 
e comparando-as com as previsões feitas no planejamento da produção.
FIGURA 1: MEDIÇÃO DE VAZÃO DE FLUIDO EM TEMPO REAL
Fonte: Freepik
Esse tipo de equipamento tem a capacidade de fornecer dados reais instantâneos e 
comunicar-se com redes de dispositivos, possibilitando a exibição de gráficos de tendências 
nas telas dos sistemas de supervisão. Isso oferece aos operadores do processo uma visão 
clara das operações. 
Uma vez que os dados são transferidos para os dispositivos de controle, como CLPs 
(Controladores Lógicos Programáveis) ou computadores, eles podem ser analisados com maior 
facilidade, permitindo a implementação de ações estratégicas. Isso é exemplificado na Figura 
3, onde um operador monitora um processo industrial por meio de um sistema supervisório 
79TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
SCADA (Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados). Nesta etapa, você será introduzido 
aos dispositivos programáveis mais comuns utilizados atualmente. Existe uma variedade desses 
dispositivos ao nosso redor, cada um desempenhando funções específicas que contribuem 
para melhorar a qualidade de vida das pessoas e os processos de manufatura. Eles possibilitam 
controles e conectividade que eram impensáveis há alguns anos. 
É importante salientar que esta literatura não pretende cobrir todas as tecnologias 
disponíveis. Para isso, seria necessário estudar um curso completo de graduação, e mesmo 
assim muitas tecnologias ainda seriam deixadas de lado, já que o universo tecnológico é 
vasto e está em constante evolução, com novas tecnologias surgindo a cada dia. No entanto, 
para atender às necessidades e aos objetivos dos cursos de Engenharia, vamos abordar as 
formas mais comuns e relevantes de dispositivos programáveis encontrados atualmente. 
Vamos começar com uma abordagem que parte dos conceitos fundamentais e, em 
seguida, apresentaremos os exemplos práticos mais comuns. Um dispositivo programável 
pode ser descrito como um dispositivo capaz de receber e armazenar um conjunto de 
instruções que determinam seu comportamento. Ele é sensível a estímulos de entrada 
internos ou interage com determinadas ações na saída, como ilustrado na Figura 2.
FIGURA 2: DISPOSITIVO PROGRAMÁVEL
Fonte: O autor (2024)
Para ilustrar de forma simples, considere um temporizador em que o usuário 
configura o tempo para que um alarme sonoro seja ativado. O tempo definido pelo usuário 
é a instrução que determina o início e o fim da programação, e a ação de saída é o som 
do alarme. Neste caso, a “programação” do evento ocorre através da simples seleção do 
tempo de maneira intuitiva. Não é necessário ter conhecimento avançado em linguagens de 
programação ou noções de algoritmos, pois o ambiente de configuração se limita à edição 
desse parâmetro específico. Um exemplo de dispositivo programável utilizado em controle 
é o Controlador Lógico-Programável (CLP). Este dispositivo recebe dados dos sensores 
em suas entradas, os quais interagem com a lógica do programa armazenado em sua 
memória. Com base nas instruções desse programa, as saídas do CLP são controladas. 
80TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Quando falamos sobre dispositivos programáveis, é importante ressaltar que existem 
diversos tipos, cada um projetado para funções específicas, como controle de fluxo de dados, 
conversão de protocolos de comunicação, armazenamento, entre outros. Antes de avançarmos, 
vamos revisar alguns termos fundamentais que serão explorados ao longo desta seção: 
• Programa: conjunto de instruções que determinam ações de saída com base 
em estímulos de entrada ou internos em um controlador. Por exemplo, um 
programa em linguagem Ladder para um CLP, usado no controle de processo 
industrial, recebe dados dos sensores em suas entradas para acionar os motores 
conectados às suas saídas. 
• Linguagem de programação: método padrão utilizado para programar 
dispositivos com recursos computacionais, como computadores, 
microcontroladores, CLPs, etc. Exemplos incluem linguagens como C, Python, 
Java, Ladder, Grafcet, entre outras. 
• Sintaxe da linguagem de programação: conjunto de regras que definem as 
instruções dentro de uma linguagem de programação específica. Cada linguagem 
de programação possui sua própria sintaxe, que pode ser semelhante ou não a 
outras. Por exemplo, a sintaxe da linguagem C. 
• Depurador: ambiente utilizado para depurar o programa escrito, com o objetivo 
de encontrar possíveis erros de sintaxe que precisam ser corrigidos antes da 
compilação do programa. 
• Compilador: ambiente responsável por converter o programa escrito em 
linguagem de programação (compreensível por humanos) para um formato 
adequado ao dispositivo programável. Por exemplo, um compilador de linguagem 
C para um microcontrolador PIC converte o programa escrito em C (na sintaxe 
de C) em um formato.hex, que pode ser transferido para o microcontrolador por 
meio de um gravador via cabo USB ou Ethernet.
A Figura 3 ilustra a relação entre esses termos e o processo de programação de 
um dispositivo programável. Observe que a relação entre as entradas e saídas de um 
dispositivo depende da programação realizada em um computador pessoal (PC) e de uma 
série de recursos, como linguagem de programação, depurador, compilador e, por fim, a 
transferência do programa para o dispositivo programável.
• Variáveis: entidades às quais são atribuídos valores dentro de um programa. 
Elas são identificadas para distinguir umas das outras e podem ter tipos distintos, 
como booleano (0 ou 1), inteiro (1, 2, 3, ..., 50, 100, 1000, ...), ponto flutuante 
(com parte inteira e fracionária dividida por ponto - 7.54, 15.13, 158.12, etc.). O 
81TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
tipo de dado atribuído à variável determina o espaço necessário em memória para 
armazenar seu conteúdo, o que impacta diretamente no hardware do controlador.
FIGURA 3: AMBIENTE DE PROGRAMAÇÃO PARA DISPOSITIVOS PROGRAMÁVEIS
Fonte: O autor (2024)
Para programar um dispositivo e aproveitar plenamente seus recursos, é essencial 
ter um domínio tanto do hardware quanto do software. Isso se deve ao fato de que os dispo-
sitivos mais modernos oferecem uma ampla gama de recursos, cujo uso requer interações 
específicas que demandam conhecimento em linguagens de programação, sua sintaxe e 
os ambientes de programação nos quais as instruções de programa são escritas, podendo 
ser tão textual como por blocos, em alguns casos.
82
MICROCONTROLADORES2
TÓPICO
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
A partir deste ponto, serão abordadas as principais tecnologias de dispositivos 
programáveis utilizadas atualmente. Um exemplo é o microcontrolador, um componente 
eletrônico com recursos computacionais programáveis. Um modelo amplamenteempregado 
em pequenas automações e projetos de dispositivos didáticos é o PIC16F628A, devido ao 
seu baixo custo, encapsulamento com pinos de fácil acesso, adequação para prototipagem 
e a disponibilidade de uma vasta literatura para estudo.
FIGURA 4: PARTE DO DIAGRAMA INTERNO DO MICROCONTROLADOR PIC16F628A
Fonte: Microchip (1999, p. 10).
Geralmente, a estrutura de um microcontrolador inclui os seguintes elementos:
83TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
• Núcleo de processamento, conhecido como Unidade Lógica Aritmética (ULA), 
onde ocorrem os processamentos e cálculos.
• Memória Flash (não volátil), usada para armazenar o programa, incluindo suas 
instruções (firmware).
• Memória RAM (volátil), onde o programa é executado e onde são armazenados 
dados temporários durante a execução.
• Interfaces de entrada e saída (I/O), que são locais onde os sinais de entrada e 
saída são integrados ao microcontrolador.
• Interface de comunicação, que permite ao microcontrolador se comunicar com 
o meio externo através de protocolos de comunicação com ou sem fio.
Quando buscamos automatizar um dispositivo, o uso de um microcontrolador é 
uma opção viável, servindo como o “cérebro” da máquina. Ele pode receber a programação 
elaborada por um programador em uma linguagem nativa do próprio modelo, como 
a Assembly (ASM), ou em uma linguagem de alto nível, como C ou Java, desde que o 
programador disponha do compilador adequado para o modelo escolhido.
A abordagem por trás do uso de um microcontrolador é a seguinte: o projetista do 
sistema de automação, em primeiro lugar, examina o processo em questão e identifica 
as necessidades específicas em termos de entradas e saídas. Em seguida, seleciona um 
modelo de microcontrolador que atenda a essas necessidades, levando em consideração 
os recursos disponíveis e o custo.
Após a seleção do modelo adequado, o projetista verifica se é possível programá-lo 
na linguagem de sua preferência. Então, ele parte para o projeto propriamente dito, que 
envolve a criação de um circuito eletrônico ou uma série de circuitos que integrarão esse 
componente. Nesse circuito, o microcontrolador interage com outros componentes para 
executar as tarefas planejadas para o dispositivo.
Uma vez que o circuito é projetado para atender às especificações do projeto, o projetista 
programa o microcontrolador em um ambiente dedicado à programação. Após a realização de 
todos os testes lógicos necessários, o programa, conhecido como firmware, pode ser transferido 
para o componente (microcontrolador) por meio de um gravador conectado ao computador 
no qual o programa foi desenvolvido. Esse firmware contém a lógica que o dispositivo deve 
executar em sua função, incluindo todas as regras automáticas desejadas.
Em seguida, é projetada uma placa de circuito impresso para a montagem dos 
componentes, os quais são soldados nela. Finalmente, os componentes podem interagir na 
prática, permitindo que o microcontrolador execute o programa (firmware) que foi gravado nele.
84TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
No mercado, existem opções que oferecem o microcontrolador já montado em uma 
placa, pronta para ser inserida no ambiente físico de testes (como mostrado na Figura 8, 
item (a)), bem como a opção de adquirir o microcontrolador em seu encapsulamento nativo 
e soldá-lo em uma placa projetada para o projeto (item (b)). Além disso, há plataformas de 
desenvolvimento equipadas com diversos recursos, como interface de vídeo, comunicação 
serial USB e rede Ethernet (item (c)), que demandam um conhecimento avançado de 
programação, mas oferecem recursos sofisticados que podem ser incorporados ao projeto, 
como conectividade e soluções embarcadas desenvolvidas em linguagem de alto nível.
A escolha de utilizar apenas o componente do microcontrolador (sem a placa, 
conforme mostrado no item (b) da Figura 8) oferece a vantagem de custar menos. No entanto, 
essa abordagem requer equipamento e conhecimento para o processo de soldagem, o 
que pode ser desafiador em encapsulamentos mais específicos, como os do tipo Surface 
Mounting Device (SMD), ou Componente de Montagem em Superfície, como é o caso dos 
encapsulamentos Ball Grid Array (BGA), ilustrado na Figura 9(a).
Existem microcontroladores disponíveis em uma variedade de outros encapsulamentos, 
como o Thin Quad Flat Package (TQFP), ou Encapsulamento Quádruplo de Fileiras Planas, 
mostrado na Figura 9(b). Além disso, há os encapsulamentos DIP, que são mais acessíveis e 
fáceis de usar, pois são maiores e permitem uma soldagem mais simples. DIP é a sigla para 
Dual In-Line Package, ou Encapsulamento Duplo em Linha, e possui um sistema de montagem 
through-hole, ou “através do orifício”, como ilustrado na Figura 5(c).
FIGURA 5: ENCAPSULAMENTOS DE MICROCONTROLADORES SMD: (A) BGA, (B) 
TQFP, E (C) DIP
Fonte: Capelli (2004)
Na Figura 5(a), as pequenas esferas metálicas representam os terminais do 
componente, ou seja, cada entrada ou saída do microcontrolador. Nesse caso, a soldagem 
utilizando os métodos tradicionais com ferro de solda não é viável, o que limita o projetista 
a escolher modelos de microcontroladores disponíveis em encapsulamentos que possam 
ser mais facilmente inseridos em uma placa, como mostrado na Figura 9(c).
85TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Para projetos que envolvem microcontroladores, também há a opção do protoboard, 
ilustrada na Figura 6. Trata-se de uma placa para protótipos que não requer soldagem. Nesse 
sistema, os componentes são inseridos em furos e interligados por contatos metálicos em 
linhas isoladas. Essa é uma solução bastante prática para projetos eletrônicos na fase de 
prototipagem, pois permite que o projetista realize testes antes de confeccionar a placa 
definitiva, minimizando erros.
FIGURA 6: PROTOBOARD COM COMPONENTES INSERIDOS
Fonte: Capelli (2004)
Os FPGAs representam outra alternativa para dispositivos programáveis. Eles 
funcionam como uma espécie de “caixa preta”, na qual podemos inserir o conteúdo desejado 
e especificar quais pinos serão utilizados como entradas e quais serão as saídas. A sigla 
FPGA é uma abreviação de Field Programmable Gate Array, que em tradução livre significa 
Arranjo de Portas Programáveis em Campo. Essa tecnologia é especialmente útil quando 
o controle do processo é altamente lógico e depende de ações de alta velocidade, como 
combinações de estados lógicos com grandes volumes de dados. 
Ao analisar um projeto de controle lógico com muitas entradas e saídas, é possível 
produzir uma tabela com todas as combinações possíveis. A partir dessa tabela, é possível 
determinar quais combinações de entradas resultarão em saídas ativadas, e as equações 
de estado correspondentes para cada condição válida. Essas equações resultam em 
operações lógicas, como soma, multiplicação e negação. Quando combinadas em uma 
equação simplificada, podem ser convertidas em um circuito lógico equivalente, o qual 
consiste em portas lógicas para cada uma das funções, conforme ilustrado na Figura 7 
(NISE, 2012). Além das portas lógicas básicas apresentadas na Figura 7, existem diversas 
outras portas lógicas que são compostas pela combinação dessas portas básicas.
86TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
FIGURA 7: PORTAS LÓGICAS OU (SOMA), E (MULTIPLICAÇÃO) E NÃO (NEGAÇÃO) 
Fonte: O autor (2024)
Elas realizam operações específicas dentro da lógica de controle de um sistema 
digital. Alguns exemplos dessas portas compostas são mostrados na Figura 8.
FIGURA 8: EXEMPLOS DE PORTAS LÓGICAS
Fonte: O autor (2024)
Na eletrônica digital, essas portas eram implementadas por meio de circuitos 
integrados dedicados que continham várias dessas portas em um único encapsulamento. 
No entanto, a quantidade de portas disponíveis era limitada a poucas unidades. Quando 
havia uma grande demanda por operações lógicas, tornava-se necessário utilizar múltiplos 
componentes, o que resultava emplacas enormes. Isso aumentava os problemas 
relacionados a falhas e manutenção (NISE, 2012). Com o avanço dos dispositivos 
87TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
programáveis, o FPGA resolveu esse problema ao permitir a integração de centenas e até 
milhares de portas lógicas em um único encapsulamento. 
Isso possibilita que o projetista defina a lógica desejada por meio de um programa 
no computador e, em seguida, a grave em um circuito integrado FPGA. A partir desse 
ponto, o FPGA passa a se comportar conforme o projeto nele gravado. Os dispositivos 
FPGA seguem o mesmo conceito já adotado anteriormente para os microcontroladores: 
um circuito integrado e uma placa para interagir com o mundo externo. A Figura 9 ilustra o 
circuito integrado e uma placa de desenvolvimento em FPGA para referência.
FIGURA 9: FPGA: (A) PLACA DE DESENVOLVIMENTO E (B) CIRCUITO INTEGRADO FPGA
Fonte: Capelli (2004)
A programação dos dispositivos FPGA depende do ambiente de programação e 
pode variar conforme o fabricante dos circuitos integrados. Um exemplo de linguagem de 
programação utilizada para projetos com essa tecnologia é o VHDL, abreviação de VHSIC 
Hardware Description Language, ou em português, Linguagem de Descrição de Hardware 
VHSIC, sendo VHSIC a sigla de Circuitos Integrados de Velocidade Muito Alta (NISE, 2012).
No mercado, existem várias tecnologias aplicadas aos dispositivos programáveis. 
Por exemplo, os Dispositivos Lógicos Programáveis Complexos (CPLDs), a Lógica de 
Array Genérico (GALs), a Lógica de Array Programável (PALs) e os Circuitos Integrados 
Específicos de Aplicação (ASICs). Nesta unidade, serão apresentadas as mais utilizadas 
e acessíveis (NISE, 2012).
88
CONTROLADOR LÓGICO 
PROGRAMÁVEL (CLP)3
TÓPICO
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Para avançarmos no universo dos dispositivos programáveis, frequentemente 
aplicados no controle de processos, é essencial compreender alguns termos importantes 
que serão abordados a seguir. Quando tratamos de controle, devemos ter em mente a 
máxima que diz: “não é possível controlar o que não pode ser medido”. Partindo desse 
princípio, vamos definir alguns conceitos (NISE, 2012).
• Planta: é o elemento ou processo que desejamos controlar manipulando uma ou 
mais variáveis. Por exemplo, suponhamos que desejamos atingir uma velocidade de 
rotação de 1.800 rpm em um motor. Este motor é a planta que pretendemos controlar.
• Setpoint (SP): é o valor almejado estabelecido na estratégia de regulação e que 
se busca alcançar mediante o emprego de técnicas e medidas de controle. Por 
exemplo, ao definirmos a temperatura desejada no aparelho de ar-condicionado 
como 23°C, então o SP é de 23°C.
• Variável de processo (PV): é a grandeza na qual desejamos intervir e aproximar 
seu valor da Referência. Por exemplo, se a temperatura da sala é de 26°C e o objetivo 
é atingir 23°C, então 26°C é o parâmetro de processo, pois representa o valor real 
que buscamos ajustar para se aproximar do SP, que, neste caso, é 23°C.
• Desvio (DV), ou erro (e(t)): é a diferença entre o valor do parâmetro de 
processo e a Referência: DV = PV - SP (ação inversa) e DV = SP - PV (ação 
direta). É por meio dessa divergência que a medida de controle no controlador 
calcula com que intensidade e velocidade deve agir na saída. Por exemplo, em 
um processo de controle com ação inversa, se a temperatura da sala é de 26°C 
89TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
e a Referência é 23°C, então a divergência é calculada como: DV = PV - SP → 
DV = 26 - 23 = 3, portanto, DV = 3°C.
• Controlador: é a entidade capaz de acionar uma ou mais saídas em resposta 
a estímulos provenientes de uma ou mais entradas, baseando-se na combinação 
do valor das entradas e em regras estabelecidas pela medida ou estratégia de 
controle. Por exemplo: microcontrolador, CLP, computador de processo, entre 
outros. Existem diversas topologias de controle, sendo as mais elementares 
abordadas nesta unidade o controle em malha aberta e o controle em malha 
fechada (NISE, 2012).
• Controle em malha aberta: neste tipo de controle, o controlador emite o sinal 
de controle para a planta sem considerar o resultado dessa ação, ou seja, atua 
na planta sem realizar a leitura do resultado dessa ação, conforme ilustrado no 
diagrama da Figura 10.
FIGURA 10: CONTROLE EM MALHA ABERTA
Fonte: O autor (2024)
Geralmente, o regulador opera com base em um estímulo de entrada, podendo ser 
um comando ou um conjunto de instruções, que definem as operações do regulador, que 
simplesmente as executa. Por exemplo, em vez disso, um temporizador envia as instruções 
e comandos, e o regulador segue um conjunto de instruções que garantem que a roupa 
colocada no cesto da máquina seja lavada. No entanto, após o ciclo de lavagem, não há 
uma avaliação do quão limpa está a roupa; o processo simplesmente é encerrado.
• Controle em malha fechada: nesta abordagem, o regulador emite o sinal de 
controle para a planta sob controle e leva em conta o resultado obtido para manter 
estável o valor desejado (NISE, 2012).
Por exemplo, um condicionador de ar tem a temperatura atual (PV) da sala em 26 
°C, enquanto a temperatura desejada (SP) é de 23 °C. Quando o regulador atua sobre o ar 
da sala para resfriá-lo, um sensor de temperatura colocado na saída do ar envia o valor do 
ar que está sendo resfriado de volta para a entrada do regulador. Assim, é realizada uma 
comparação entre o valor desejado e o atual (DV). O processo de enviar o valor da saída 
de volta à entrada do regulador é conhecido como realimentação ou feedback, conforme 
ilustrado no diagrama da Figura 11.
90TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
FIGURA 11: CONTROLE EM MALHA FECHADA
Fonte: O autor (2024)
Até este ponto, você adquiriu uma compreensão básica de como os sistemas de 
regulação interagem com a operação industrial. Na sequência, vamos explorar as tecnologias de 
regulação que possibilitam a implementação disso no ambiente prático. Você será apresentado 
ao tipo de regulador mais comum na indústria: o Controlador Lógico-Programável (CLP). 
Além disso, você irá aprofundar sua análise sobre a tecnologia predominante na 
conversão de instruções originárias de um projeto elaborado no computador em coordenadas 
numéricas. Essa tecnologia é amplamente empregada na automação de processos de 
fabricação, inicialmente na indústria metalúrgica e, hoje em dia, em várias áreas onde a 
execução de formas baseadas em Desenho Auxiliado por Computador (CAD) é essencial: 
o Controle Numérico Computadorizado (CNC).
Os Reguladores Lógicos Programáveis ou CLPs foram mencionados na Unidade 
1 deste livro de forma introdutória e abrangente. Nesta seção, exploraremos este tipo de 
regulador em relação à sua aplicação e aos recursos envolvidos. Acompanhe! Um CLP é 
um aparelho capaz de gerenciar um processo industrial com base em instruções fornecidas 
por um programa armazenado em sua memória. 
Esse programa é executado por um microprocessador ou microcontrolador e faz 
uso de uma memória que realiza ciclos de escrita e leitura em alta velocidade (FRANCHI; 
CAMARGO, 2008). Os dados a serem processados pelo CLP dependem de uma “interface” 
com o ambiente externo, o que envolve a adaptação de sinais de entrada e saída para 
que os dados provenientes de sensores, por exemplo, sejam convertidos em um formato 
elétrico compatível com o microprocessador que os processará e com a memória que os 
armazenará (NISE, 2012).
Considerando isso, a estrutura de hardware e software utilizada na aplicação prática 
de um CLP será apresentada a seguir. A partir deste ponto em nosso livro, serão abordados 
os componentes de hardware do CLP. Para uma compreensão mais clara, é necessário 
91TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
diferenciar os dois formatos mais comuns de CLPs atualmente disponíveis no mercado: 
Estruturas compactas e Estruturas modulares.
As estruturas compactas reúnem, emum único gabinete ou caixa, os recursos 
mínimos para operar em automações de pequeno e médio porte. Normalmente, esse tipo 
de estrutura inclui fonte de energia, unidade central de processamento (CPU), interfaces 
de entrada e saída digitais, e interfaces de comunicação padrão RS-232/USB ou Ethernet. 
Normalmente, as estruturas compactas representam uma alternativa mais acessível 
para aplicações de regulação de processos em pequenas e médias proporções, devido 
à quantidade de entradas e saídas (I/Os) que disponibilizam e à fixação permanente de 
seus cartões ou módulos dentro do gabinete, sem a capacidade de troca imediata. Isso 
pode interromper todo o processo caso seja necessário substituir um módulo. As estruturas 
compactas também podem permitir a adição de alguns cartões extras, porém o número de 
expansões é bastante restrito em comparação com as estruturas modulares. A Figura 12 
exemplifica uma estrutura compacta.
FIGURA 12: CLP EM BASE COMPACTA: EQUIPADO COM FONTE DE ALIMENTAÇÃO, 
CPU, ENTRADAS E SAÍDAS DIGITAIS E COMUNICAÇÃO
Fonte: Capelli (2004)
As estruturas modulares são recomendadas para aplicação em automações de 
porte médio e grande, pois cada módulo é independente e pode ser inserido ou removido 
individualmente. Isso permite a expansão da capacidade de I/Os a qualquer momento, 
dentro dos limites estabelecidos por cada fabricante e modelo de CLP. A Figura 13 
apresenta um exemplo de CLP em estrutura modular, onde cada cartão ou módulo opera 
de forma independente dos demais (exceto pela CPU, que os reconhece e os habilita). 
92TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Nessa configuração, é viável retirar ou inserir cartões sem a necessidade de desligar o CLP, 
o que facilita as operações de manutenção.
FIGURA 13: CLP EM BASE MODULAR: CADA MÓDULO É INDEPENDENTE E PODE 
SER INSERIDO OU RETIRADO SEM A NECESSIDADE DE DESLIGAR O CLP
Fonte: Capelli (2004)
É bastante frequente em CLPs modulares a utilização da tecnologia Hot swap ou troca 
a quente, que envolve inserir ou retirar um componente de um sistema sem precisar desligá-lo 
ou reiniciá-lo. Esse recurso simplifica as tarefas de manutenção e a substituição de cartões em 
funcionamento, já que uma falha em um módulo não necessariamente resulta na parada total 
da máquina. Em vez disso, apenas o cartão com defeito é removido e outro em bom estado é 
colocado em seu lugar. O sistema reconhece essa alteração automaticamente, retomando o 
funcionamento normal sem exigir intervenções adicionais (NISE, 2012).
Este recurso se assemelha ao procedimento de conectar ou desconectar um 
pendrive em um computador. O sistema operacional simplesmente o reconhece ou o 
desconecta sem necessidade de intervenção adicional. Para viabilizar isso, os conectores 
dos dispositivos com a funcionalidade hot swap são projetados com uma tecnologia que 
garante que a alimentação do dispositivo seja estabelecida sempre antes da comunicação. 
Portanto, os terminais são dimensionados com menor comprimento para os sinais de dados 
e maior para os condutores de energia (NISE, 2012).
Inicialmente, para que um CLP possa operar, é necessário que ele seja alimentado 
com os potenciais adequados. Isso implica converter a tensão da rede elétrica de 127 V 
ou 220 V para voltagens compatíveis com as exigências dos componentes eletrônicos do 
CLP, que operam em torno de 3,3 V e 5 V. Para desempenhar essa função, o CLP conta 
com uma fonte de energia, que pode ser integrada nos CLPs de estruturas compactas ou 
externa nas estruturas expansíveis.
93TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Normalmente, os CLPs sem fonte de energia funcionam com a voltagem nominal 
de 24 Vcc, então a fonte de alimentação converte a voltagem da rede elétrica de 100 a 240 
Vca em 24 Vcc.
As fontes de energia utilizadas para alimentar os CLPs são geralmente classificadas 
como fontes de energia comutadas, as quais são empregadas em computadores, TVs 
modernas, carregadores de bateria de laptops e celulares. Esse tipo de fonte, ilustrado na 
Figura 19, apresenta características de tamanho compacto, alta densidade de potência e custo 
reduzido, mas também tem algumas desvantagens: produz ruído conduzido e irradiado (EMI 
ou Interferência Eletromagnética), que pode afetar o funcionamento de outros equipamentos 
próximos ou alimentados pela mesma fase da rede; além disso, por não possuir isolamento, é 
altamente sensível a descargas eletrostáticas, incluindo descargas atmosféricas.
Para que o CLP modular possa estabelecer conexão entre seus cartões de interfaces 
e controladores, é essencial uma estrutura apta a interligar cada cartão em um barramento 
de comunicação e alimentação. É para suprir essa exigência que os CLPs são equipados 
com um rack contendo as entradas para receber os módulos ou cartões.
A CPU do CLP é a abreviação para Unidade Central de Processamento e consiste 
em um módulo capaz de realizar o processamento de todos os dados do CLP. Dentro 
deste módulo, encontram-se componentes como microprocessador ou microcontrolador, 
memórias (como RAM, flash, entre outras), Real Time Clock (RTC) ou Relógio de Tempo 
Real, e outros dispositivos de interface com o ambiente externo.
Um CLP pode conter várias CPUs em um mesmo rack, permitindo que o programa 
seja dividido entre múltiplas unidades de processamento, ou que o mesmo programa 
seja executado simultaneamente em duas CPUs, por exemplo. A vantagem desta última 
abordagem é que, caso uma CPU falhe, a outra pode assumir a operação imediatamente. 
Esse método é conhecido como hot standby e faz referência ao conceito de redundância 
a quente: quando uma unidade deixa de funcionar devido a uma falha, outra unidade 
assume sua função sem interromper o processo.
Agora, vamos examinar como é organizada a unidade central de processamento de 
um CLP. É na CPU que o software de controle é armazenado. Esse software é desenvolvido 
em um computador e, em seguida, gravado na CPU do CLP. Em certos modelos, esse 
software é gravado em uma memória flash (semelhante à de um pendrive). Nessas 
circunstâncias, mesmo se o CLP for desconectado da fonte de energia elétrica, o software 
permanece na memória.
94TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Nos CLPs mais recentes, o programa é armazenado diretamente na memória RAM 
para permitir modificações nas linhas de programação enquanto o programa está em execução, 
sem interromper o processo. Para evitar a perda do programa quando o CLP está desconectado 
da energia, a CPU possui uma bateria que mantém a memória RAM sempre alimentada. 
Normalmente, essas baterias têm autonomia para operar por vários anos.
Além dos elementos já mencionados, o CLP emprega módulos que interagem 
com o ambiente externo, sendo os cartões responsáveis por receber dados de sensores 
e outros elementos do processo, bem como enviar sinais de controle para atuadores e 
dispositivos variados.
As interfaces de entrada e saída do CLP são conhecidas como interfaces de I/O ou 
cartões de I/O e, geralmente, estão disponíveis nos seguintes tipos:
• Entradas digitais.
• Saídas digitais.
• Entradas analógicas.
• Saídas analógicas.
As entradas digitais representam as portas de entrada para os elementos digitais, 
como sensores de proximidade, contatos de relé, botões, chaves e outros dispositivos com 
saída em frequência. A ideia por trás do termo “digital” está relacionada à natureza do sinal 
que entra no CLP, assumindo apenas dois estados: ligado ou desligado.
Normalmente, as entradas digitais operam com um padrão elétrico de 24 V, onde o 
dispositivo conectado à entrada deve enviar 0 V ou 24 V para indicar a presença ou ausência 
de um objeto. Além disso, alguns modelos de CLPs permitem padrões elétricos de 100 a 240 
V em corrente alternada nas entradas digitais, mas esse padrão não é comum para sensores 
industriais, que geralmente operam na faixa de 10 V a 36 V em corrente contínua.
É relevante mencionar que existemCLPs que distinguem entre entradas digitais 
rápidas e não rápidas, adequadas para sensores que operam em altas frequências, como 
encoders incrementais e sensores de nível com saída pulsante.
As saídas digitais são módulos capazes de acionar dispositivos que operam no 
sistema liga-desliga, como bobinas de relés, solenoides, lâmpadas indicadoras e bobinas 
de contatores. Geralmente, as saídas digitais são oferecidas em dois formatos: saídas com 
relé e saídas com transistor. As saídas com relé consistem em um circuito que utiliza relés 
para acionar os dispositivos externos.
95TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
Os relés são dispositivos eletromecânicos que possuem uma parte móvel e outra 
fixa e, quando energizados, provocam o movimento da parte móvel, alterando o estado dos 
contatos para permitir o acionamento de cargas ou dispositivos no formato liga-desliga. 
Essa tecnologia é adequada quando o acionamento do dispositivo não ocorre com alta 
frequência, pois a velocidade de comutação do relé eletromecânico é limitada, e também 
em ambientes onde não há presença de gases inflamáveis, pois os contatos do relé podem 
gerar arco voltaico, diminuindo a vida útil do dispositivo.
A principal vantagem do uso de relés está na capacidade de comutação de cargas 
de correntes elevadas e na isolação elétrica, já que operam com potenciais de referência 
isolados uns dos outros na mesma placa, lidando com correntes da ordem de alguns 
ampères e tensões elevadas.
As saídas digitais com transistor têm como objetivo acionar cargas com rápida 
resposta em baixa tensão (em corrente contínua) e baixas correntes, na faixa de miliampères. 
A principal vantagem dessas saídas é a velocidade, que permite operar com sinais de altas 
frequências, como no controle utilizando modulação de largura de pulso (PWM).
As saídas digitais que utilizam transistores não permitem que o sinal comutado 
seja de potencial livre, ou seja, não permitem ao usuário escolher livremente o potencial a 
ser comutado. Ele deve usar o formato oferecido pelo cartão, que normalmente é de 24 V. 
Portanto, quando a saída é acionada, há 24 V em seu terminal em relação ao terminal de 
referência. Se o dispositivo a ser acionado por essa saída for de 220 V, o projetista deve 
utilizar um acoplador intermediário para que a tensão de 220 V seja comutada a partir deste.
Assim como as variáveis digitais, também precisamos de variáveis analógicas para 
operar com processos de controle em que o comportamento varia ao longo do tempo. 
As entradas analógicas têm como objetivo receber sinais provenientes de sensores 
analógicos ou de dispositivos que enviam sinais analógicos referentes a algum parâmetro 
de funcionamento, como o sinal proporcional de 0 a 10 V de um inversor de frequência, 
correspondendo à sua frequência mínima e máxima, respectivamente. No caso dos sensores 
analógicos, os sinais correspondem às suas grandezas e medidas, como nível, pressão, 
vazão e temperatura. Os padrões elétricos utilizados por esses cartões são, tensão ou 
corrente, sendo que uma entrada analógica de tensão opera entre 0 e 10 V, e uma entrada 
analógica de corrente opera entre 4 e 20 mA, abrangendo a grandeza do sensor do seu 
mínimo até o seu máximo mensurável.
As saídas analógicas são usadas para acionar dispositivos que operam com base em 
sinais analógicos. Essas saídas funcionam de forma proporcional a esses sinais, como uma 
96
Os dispositivos eletrônicos modernos que nos cercam, repletos de funcionalidades especiais e 
recursos de conectividade, como caixas de som com Bluetooth, MP3 players, smartwatches, entre outros, são 
comumente conhecidos como gadgets, termo derivado do inglês “aparelhos”. Esses gadgets proporcionam 
acesso a uma variedade de mídias que facilitam o dia a dia das pessoas.
Para operarem, esses gadgets dependem de recursos computacionais dedicados. Em outras 
palavras, eles contêm um pequeno computador capaz de executar as tarefas designadas, como armazenar 
arquivos de música, reproduzir músicas sem fio e registrar atividades de treino. Esse pequeno computador 
geralmente é um microcontrolador, que é essencialmente um componente eletrônico fabricado com 
os recursos de hardware necessários para o processamento de dados. Isso inclui uma unidade lógica 
aritmética, memórias RAM e flash, interfaces de entrada e saída, portas de comunicação e entradas para 
sinais analógicos, entre outros recursos.
Autor: Lucas Delapria Dias dos Santos (2024).
SAIBA
MAIS
O aprendizado sobre tecnologias voltadas para automação e controle deve ser constante, pois 
novos equipamentos e inovações surgem diariamente em diversos segmentos. Portanto, é essencial manter-
se atualizado para acompanhar essas mudanças e inovações.
Autor: Lucas Delapria Dias dos Santos (2024).
REFLITA
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
válvula proporcional que ajusta sua abertura de 0 a 100% de acordo com um sinal elétrico de 
4 a 20 mA. Normalmente, as saídas analógicas acionam dispositivos com base em cálculos 
matemáticos realizados na CPU do CLP. Por exemplo, em uma ação de controle Proporcional 
Integral Derivativo (PID), a CPU analisa o sinal de entrada de um ou mais sensores e, com base 
nos valores informados nas respectivas entradas analógicas (variáveis de processo), compara-
os com valores de referência (setpoint). O desvio (DV) é então introduzido em uma equação 
com constantes definidas para estabilizar o sistema de controle acionado pela saída analógica.
97
Este capítulo nos levou a uma jornada empolgante pelo mundo da automação 
industrial. Começamos refletindo sobre a complexidade dos sistemas de computadores 
industriais, que desempenham um papel crucial no controle e na estabilização de variáveis 
críticas em processos industriais. Desde o funcionamento de elevadores até a dosagem 
precisa de ingredientes em processos de fabricação, os dispositivos programáveis são os 
verdadeiros protagonistas por trás dessas operações.
Exploramos a presença crescente dos dispositivos programáveis em nossa vida 
cotidiana, desde despertadores até micro-ondas e máquinas de lavar. Esses dispositivos 
estão profundamente integrados em nosso cotidiano, muitas vezes sem que percebamos 
sua presença, tornando possível a automação de uma ampla gama de tarefas.
Avançando para uma análise mais detalhada, mergulhamos na compreensão dos 
dispositivos programáveis, destacando sua variedade e importância. Desde os Controladores 
Lógicos Programáveis (CLPs) até os microcontroladores como o PIC16F628A, exploramos 
como esses dispositivos servem como o “cérebro” por trás da automação industrial e de 
projetos diversos.
Ao final, nos preparamos para explorar mais a fundo os microcontroladores, 
compreendendo sua estrutura e seu papel fundamental em projetos de automação e 
controle. Com uma visão abrangente e um entendimento sólido dos conceitos apresentados 
neste capítulo, estamos prontos para adentrar ainda mais no fascinante universo da 
automação industrial.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
LEITURA COMPLEMENTAR
98
Este artigo mostra uma visão geral sobre automação industrial, apresentando 
algumas motivações para o uso de sistemas automatizados e conceitos, evolução e 
fundamentações do uso da instrumentação e das redes industriais. Além disso, descreve 
sucintamente a situação da automação no Brasil.
Acesse o link a seguir: https://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/
arquivosUpload/17829/material/ARTIGO05.pdf
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
https://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17829/material/ARTIGO05.pdf
https://professor.pucgoias.edu.br/SiteDocente/admin/arquivosUpload/17829/material/ARTIGO05.pdf
99
MATERIAL COMPLEMENTAR
FILME/VÍDEO
• Título: Tempos Modernos
• Ano: 1936.
• Sinopse: Um dos filmes mais famosos de Charles Chaplin, 
Tempos Modernos é, segundo Manoel Fernandez, responsável deexcelência operacional na Rhodia um filme com forte viés crítico 
que todo engenheiro de produção deveria assistir. Ele, que é 
engenheiro mecânico formado pelo Instituto Mauá de Tecnologia, 
mas trabalha como engenheiro de produção, explica que o filme 
mostra bem as ideias do engenheiro Frederick Taylor, que foram 
usadas depois do Henry Ford, considerado o primeiro a implantar 
um sistema de produção em série.
LIVRO
• Título: Controladores lógicos programáveis: Sistemas discretos
• Autor: Claiton Moro Franchi e Valter Luís Arlindo de Camargo
• Editora: Érica.
• Sinopse: Os conceitos fundamentais de CLPs, linguagens de 
programação Ladder, Sequenciamento Gráfico de Funções (SFC), 
Lista de Instruções (IL), Diagrama de Blocos Funcionais (FBD), 
conversão de Grafcet em Ladder, sensores e atuadores são 
estudados nesta obra de forma didática e objetiva. Indispensável 
a técnicos, tecnólogos e engenheiros que atuam nas áreas de 
automação, mecatrônica e eletrotécnica, além de profissionais 
que desejam se manter atualizados. Apresenta exemplos 
resolvidos nos CLPs Allen-Bradley, Schneider Electric e Siemens e 
implementações em um controlador que segue a norma IEC 61131-
3. Mostra a utilização do software Zelio Logic como ferramenta de 
apoio e exercícios propostos para fixação do aprendizado.
TECNOLOGIAS E SISTEMAS AUTOMATIZADOSUNIDADE 4
100
CONCLUSÃO GERAL
Ao longo deste livro, mergulhamos profundamente nos intricados mecanismos que 
regem os sistemas de controle e automação, revelando a complexa sinfonia de atividades 
que permeia nossa sociedade contemporânea. Desde os sistemas que coordenam o 
lançamento de foguetes ao espaço até aqueles que regulam a temperatura em nossos 
lares, testemunhamos a onipresença e a importância vital desses sistemas automatizados 
em nossa vida cotidiana.
Exploramos a evolução histórica dos sistemas de controle, desde suas origens 
até as mais recentes inovações, destacando a importância de compreender os princípios 
fundamentais para projetos eficazes. Ao adentrar o mundo da teoria de controle, examinamos 
as diversas estruturas dos controladores e sua aplicação prática em cenários como o projeto 
de sistemas de suspensão automotiva.
Além disso, reconhecemos a crescente complexidade dos sistemas atuais e a 
importância da simulação como uma ferramenta crucial para análise e avaliação prévia. Ao 
investigar os diferentes tipos de modelos de simulação, desde os físicos até os de sistemas 
discretos, compreendemos suas limitações e aplicações em uma variedade de contextos.
Por fim, exploramos o fascinante mundo da automação industrial, onde os 
dispositivos programáveis desempenham um papel fundamental na execução de tarefas 
complexas em uma ampla gama de processos industriais. Desde o controle de elevadores 
até a dosagem de ingredientes em processos de produção, testemunhamos o poder 
transformador da automação em nossa vida cotidiana.
Assim, ao encerrar esta jornada pelo universo da automação e controle, fica evidente 
que esses sistemas são muito mais do que meras ferramentas tecnológicas; são os verdadeiros 
arquitetos de nossa moderna sociedade, moldando e impulsionando o progresso em todos os 
aspectos de nossas vidas. Que este livro possa servir como um guia valioso para todos aqueles 
que buscam compreender e dominar os segredos por trás dos sistemas que nos rodeiam.
101
REFERÊNCIAS
AGUIERRE, L. A., Enciclopédia de Automática Controle e Automação 1a. ed. Edgard 
Blucher, 2007, v.1-3.
BERTULUCCI, S. C.; Controle de Temperatura. 2016. Disponível em: https://www.
qualidadeonline.wordpress.com/2016/12/19/conheca-mais-sobre-o-controle-da-
temperatura/. Acesso em: 01 abr. 2024.
CAPELLI, A. Automação Industrial: Controle do Movimento e Processos Contínuos. 2.
CAPELLI, A. Automação Industrial: Controle do Movimento e Processos Contínuos. 2.
COELHO, A. A. R.; COELHO, L. d. S. Identificação de Sistemas Dinâmicos Lineares. 
Florianópolis: Editora da UFSC, 2004.ed. São Paulo: Érica, 2004.
FOLHA. Indústria 4.0 no Brasil pode alcançar US$ 5,62 bi até 2028. 2024. Disponível em: 
https://www.folhavitoria.com.br/geral/noticia/03/2024/industria-4-0-no-brasil-pode-alcancar-
us-5-62-bi-ate-2028. Acesso em 01 abr 2024
GOMES, João M. S.; Controle em malha fechada 2000. Disponível em: http://www.ece.
ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node6.html. Acesso em: 01 abr. 2024.
JUNIOR, Francisco G. F.; Metodologia para re-sintonia de controladores PID industriais. 
Dissertação de Mestrado. Natal-RN, 2006.
MORAES, C.C., Engenharia de Automação Industrial. 1 edição. Rio de Janeiro - RJ: 
LTC-Livros Técnicos e científicos, 2001.
NISE, N. S. Engenharia de Sistemas de Controle. 3. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2012. 
https://www.qualidadeonline.wordpress.com/2016/12/19/conheca-mais-sobre-o-controle-da-temperatura/
https://www.qualidadeonline.wordpress.com/2016/12/19/conheca-mais-sobre-o-controle-da-temperatura/
https://www.qualidadeonline.wordpress.com/2016/12/19/conheca-mais-sobre-o-controle-da-temperatura/
https://www.folhavitoria.com.br/geral/noticia/03/2024/industria-4-0-no-brasil-pode-alcancar-us-5-62-bi-ate-2028
https://www.folhavitoria.com.br/geral/noticia/03/2024/industria-4-0-no-brasil-pode-alcancar-us-5-62-bi-ate-2028
http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node6.html
http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node6.html
http://www.ece.ufrgs.br/~jmgomes/pid/Apostila/apostila/node6.html
102
OGATA, K (2010). Engenharia de Controle Moderno. 5ed. São Paulo: Prentice Hall, 2003. 
Ogata, K. Engenharia de controle moderno, 5d ed. Pearson, SP, 2015.
SARAIVA, F. A.; Métodos de sintonia em controladores PID. 2011. Disponível em: 
https://unilasalle.edu.br/docs_online/tcc/graduacao/engenharia_telecomunicacoes/2011/
fasaraiva.pdf. Acesso em: 01 abr. 2024.
https://unilasalle.edu.br/docs_online/tcc/graduacao/engenharia_telecomunicacoes/2011/fasaraiva.pdf
https://unilasalle.edu.br/docs_online/tcc/graduacao/engenharia_telecomunicacoes/2011/fasaraiva.pdf
ENDEREÇO MEGAPOLO SEDE
 Praça Brasil , 250 - Centro
 CEP 87702 - 320
 Paranavaí - PR - Brasil 
TELEFONE (44) 3045 - 9898
	Unidade 1 - 2024
	Unidade 2 - 2024
	Unidade 3 - 2024
	Unidade 4 - 2024
	Site UniFatecie 3: 
	Botão 19: 
	Botão 18: 
	Botão 17: 
	Botão 16: