Introdução aos Sistemas de Controle

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Prof. Dr. Maurício G. Ballarotti
Faculdade Pitágoras de Londrina
Engenharia Elétrica
mauricio.ballarotti@pitagoras.com.br
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Introdução
 Importância atual do controle automático:
 Processos industriais e produtivos (controle de pressão, temperatura, 
vazão, etc.)
 Máquinas-ferramentas de controle numérico (tornos CNC)
 Subsistemas de carros e caminhões
 Sistemas de navegação de aeronaves
 Etc.
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Introdução
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Histórico dos Sistemas de Controle
 Primeiro trabalho significativo de 
controle automático:
 Regulador centrífugo de velocidade 
(James Watt, 1788)
 Teóricos importantes do início:
 1922: Minorsky:
 Estabilidade de controladores 
automáticos de pilotagem de 
embarcações e equações diferenciais
 1932: Nyquist:
 Sistemas de malha fechada e sua resposta 
em malha aberta a excitações senoidais 
estacionárias
 1934: Hazen:
 Introduziu o termo “servomecanismo” 
para sistemas de controle de posição, 
usando em projetos com relés
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Histórico dos Sistemas de Controle
 Década de 1940:
 Métodos de resposta em frequência (especialmente usando o 
Diagrama de Bode)
 Controle em malha fechada com desempenho considerável
 Por volta de 1950:
 Evans: desenvolveu o método de lugar das raízes
 Métodos de resposta em frequência e de lugar das 
raízes: essência da teoria clássica de controle
 A teoria clássica de controle:
 Permitiu o desenvolvimento de sistemas estáveis
 Limitada em:
 sistemas de uma entrada e uma saída
 termos de otimização em relação a um parâmetro (ênfase dada a 
partir do final da década de 1950)
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Histórico dos Sistemas de Controle
 A partir da década de 1960: Teoria de controle 
moderno:
 Sistemas mais complexos com várias entradas e saídas
 Computação: possibilitou a análise no domínio do tempo com 
o emprego de variáveis de estado
 Permitiu elevada precisão em sistemas complexos
 1960-1980: grande desenvolvimento em:
 Controle ótimo de sistemas determinísticos e estocásticos
 Controle adaptativo e de aprendizagem
 1980-atual: controle robusto, controle H∞ e tópicos 
associados
 Aplicações atuais além da Engenharia: sistemas 
biológicos e biomedicina, econômicos, etc.
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Terminologia e conceitos básicos
 Variável controlada: grandeza ou condição que é 
medida e controlada (normalmente saída do 
sistema).
 Variável manipulada: grandeza ou condição 
modificada pelo controlador de modo a controlar a 
saída.
 Controlar: medir a variável controlada e utilizar a 
variável manipulada para corrigir os desvios do 
valor medido em relação a um valor desejado.
 Processo: operação a ser controlada. Pode ser de 
natureza elétrica, química, biológica, etc.
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Terminologia e conceitos básicos
 Sistema: combinação de componentes que agem em 
conjunto para atingir determinado objetivo. Pode ser 
abstrato ou referente a uma situação concreta (física).
 Sistemas a controlar ou plantas: pode ser desde um 
amplificador operacional até uma aeronave.
 Distúrbio: sinal que tende a afetar a variável de saída 
de modo adverso. Pode ser originado dentro do 
sistema (interno) ou fora (externo), este compondo o 
sinal de entrada.
 Controle com realimentação: também chamado de 
“malha fechada”. Operação que, na presença de 
distúrbios, tende a diminuir a diferença entre a saída do 
sistema e uma entrada de referência.
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Sistema de controle de velocidade de um 
motor
 Planta: motor
 Variável 
controlada: 
velocidade do 
eixo do motor
 Variável 
manipulada 
(sinal de 
controle): 
quantidade de 
combustível
 Distúrbio: 
mudança de 
carga no motor
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Sistema de controle de temperatura de 
um forno elétrico
 Planta: forno 
elétrico
 Variável 
controlada: 
temperatura 
medida no forno 
 Variável 
manipulada 
(sinal de 
controle): 
acionamento do 
aquecedor
 Distúrbio: 
dissipação e 
acúmulo de calor
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Sistema de produção de um produto 
qualquer
 Algumas observações:
 Complexo: muitas variáveis pode ser definidas (índices de 
qualidade do produto, erros de execução do projeto, atraso de 
execução de uma tarefa, distúrbios relevantes, etc.)
 Deve-se elaborar equações simples com as variáveis escolhidas
 Sequência de fases e realimentações
 Sistemas produtivos/empresariais são realimentados (malha 
fechada)
 Objetivo do controle: otimização de variáveis-chave da 
produção (mínimo tempo, mínimo erro, maior lucro, etc.) 
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Sistemas de controle de malha fechada
 Basicamente, usa a comparação entre a saída e uma 
entrada de referência 
 Ex.: controle de temperatura de um processador ou 
do corpo humano frente aos distúrbios, etc.
 Também denominados de sistema de controle com 
realimentação
 Finalidade:
 Acertar o sinal de saída ao valor desejado através da 
minimização do erro atuante, que é a diferença entre a 
entrada e o sinal de realimentação
 Sinal de realimentação: a própria saída ou uma função da 
variável da saída
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Sistemas de controle de malha aberta
 Saída não exerce nenhuma ação de controle no 
sistema.
 Ou seja: saída não é nem medida nem realimentada 
para comparação com a entrada
 Ex.: máquina (simples) de lavar roupas (execução 
sequencial de tarefas sem verificação de 
resultados), semáforo temporizado, etc.
 As entradas correspondem a condições fixas de 
operação
 A precisão do sistema dependerá de calibração
 Na presença de distúrbios, o sistema não “reagirá” e 
poderá falhar
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Controle de malha fechada versus
controle de malha aberta
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Controle de malha fechada versus
controle de malha aberta
 Em geral:
 Malha fechada:
 Vantagem: mais insensível a distúrbios
 Desvantagem: pode se tornar instável mais facilmente
 Malha aberta é especialmente interessante quando:
 Entrada são conhecidas e isentas de distúrbios
 Malha fechada é especialmente interessante quando:
 Entradas com distúrbios imprevisíveis
 Malha fechada utiliza mais componentes e energia, então:
 Malha aberta deve ser escolhido sempre que possível
 Um sistema misto (parte aberta, parte fechada) é 
normalmente uma ótima solução em termos de 
custo/desempenho.
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Referência
 OGATA, K., Engenharia de Controle Moderno, 
4a ed., São Paulo: Prentice Hall, 2003.
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