CONTROLO MEEC - Autenticação · – Linhas de montagem em fábricas – Sistemas de comunicações ... Mercedes Driverless Car Mercedes-Benz has successfully completed the ﬁrst

Capítulo1-Introdução

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CONTROLO|1ºsem2017/2018

Cap1-1

Cap1–IntroduçãoaoControloExemplosmoLvadores

Isabel Ribeiro António Pascoal

Transparênciasdeapoioàsaulasteóricas

TodososdireitosreservadosEstasnotasnãopodemserusadasparafinsdisLntosdaquelesparaqueforam

elaboradas(lecionaçãonoInsLtutoSuperiorTécnico)semautorizaçãodosautores

CONTROLOMEEC

1ºsemestre–2017/2018


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Cap1-2

MoLvação

OqueéumSISTEMADECONTROLO?–  Umconjuntodesub-sistemas(disposiLvoseletrónicos,sistemas

decomputação,atuadores,etc)eumprocesso(instalação)queinteratuamdemodoalevarasaídadesseprocessoaexibirumcomportamentodesejado

Ø OssistemasdecontroloautomáLcoo  Fazemparteintegrantedasociedademoderna(frutoda

intervençãodohomem)o  Estãopresentes,desdesempre,nanaturezao  Sãoimportanteseminúmerasaplicações,emáreasmuitodiversas

Sistema de controlo

Entrada: estímulo Saída: resposta

Resposta desejada Resposta efectiva


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Cap1-3

MoLvação

OqueéumSISTEMADECONTROLO?

Ø  Controlodeposiçãodeumelevadoro  Respostadesejada–indicaçãodopisoparaondesedesejairo  RespostaefeLva–variaçãodaalturadoelevadorcomotempo

Sistema de controlo


Resposta desejada Resposta efetiva

Ø  Requisitos•  Pretende-sequenãohajadesnivelamento

final•  Quandooelevadorpára,nãodeveficara

oscilaremtornodaposiçãoemquevaiparar•  Ocomportamentodeveserindependenteda

carga(paracertoslimitesdecarga)•  Amovimentaçãodoelevadordevefazer-se

“semsolavancos”


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Cap1-4

MoLvação

OqueéumSISTEMADECONTROLO?

Ø  Controlodetemperaturadeumasalao  Respostadesejada–temperaturaconstante(p.e.,22ºC)o  RespostaefeLva–temperaturadasala

Sistema de controlo


Resposta desejada Resposta efetiva

Ø  Porquevariaatemperaturadasala•  Variaçãodetemperaturaambiente•  Aberturadeportasoujanelas•  Númerodepessoasnasala

Fornalha Válvula

de gás Termostato Sala

Temperaturadesejada

Temperaturadasala

Perdasdecalor

∑

Retroacção (feedback)


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Cap1-5

ObjeLvosdoControlo

Ummodernosistemadecontroloo  avaliaascondiçõesdeoperaçãodosistemao  compara-ascomocomportamentodesejadoo  calculaaçõescorreLvascombasenummodelodosistemao  atuanosistemaparaimplementaressasaçõescorreLvas

Sistema

Sensoriamento / Perceção Computação Actuação

Ruído Perturbações externas

Sistema SensoresActuadores

Computador A/DD/A

Relógio

Saída

Entradadereferência

Ruído

Controlador

Processo

Sistemadecontroloimplementadoemcomputador

Processo: Sistema físico, actuação,

sensores

Controlador: microprocessador

(onde é executado um algoritmo) +

A/D + D/A


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Cap1-6

ObjeLvosdoControlo

•  Modificarocomportamentodosistema(processo)•  Fazercomqueasaídadosistema(processo)sigaumaentradadereferência

•  Esimultaneamente,osistemacontrolado:–  Deveserestável–  Terboarejeiçãodeperturbações–  Responderrapidamenteaalteraçõesnossetpoints


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Cap1-7

Exemplos

•  Variáveisquesãocontroladas–  Pressãosanguínea–  Concentraçãodeaçucarnosangue–  Oxigénionosangue–  Diâmetrodaspupilas

•  Problema:seguimentodeobjetos–  Osolhosou(olhos+cabeça)ou(olhos+cabeça+tronco)sãocapazesdeseguir

umobjetomóvelporformaamantê-lodentrodocampodevisão

Mecanismos biológicos de controlo no Corpo Humano

Fóveacentral

NervoópLco

ReLna

Lente

EixoópLco

Luzincidente

Pupila

IrisCórnea

Zona de maior acuidade visual

eixo ótico

Retina Musculos oculares

Sistema de visão

qocular qobjecto Dq

Dq =qocular - qobjecto

ÂnguloentreoeixoóLcoeoeixoparaoobjeto


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Cap1-8

Exemplos

•  CriaçãodeimplantesquepermitamaadministraçãoautomáLcademedicamentosemdoentes–  p.e.,insulinaemdiabéLcos

Sistema de controlo em biomedicina

Figuras retiradas de Modern Control Systems, R.Dorf, R.Bishop

controloemcadeiaaberta

valoresparaumnãodiabéBco

controloemcadeiafechada

•  modelo matemático da relação causa-efeito na administração de um fármaco

•  características do paciente

(exemplo:bombasdeinfusãodeinsulina)


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Cap1-9

Exemplos

•  Variáveisquesãocontroladas–  Temperatura

•  Aplicações–  Sistemasdeaquecimentocentralemedircios–  Processosindustriais(p.e.,químicos)

Sistemas térmicos

Sistemadecontrolodetemperatura

Sistema de controlo de temperatura

Entrada: temperatura desejada, Tref

Saída: temperatura real, T

águafria águaquenteOBJECTIVO:manterconstanteatemperaturadaáguanotanque

Duasestratégiasdecontrolo:

•  colocarastorneirasemposiçõespré-determinadas–CADEIAABERTA

•  iractuandonastorneirasemfunçãodaavaliaçãodatemperaturadaáguanotanque–CADEIAFECHADA


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Cap1-10

Exemplos

•  Astorneirasdaáguafriaedaáguaquentesãocolocadasemposiçõespré-determinadas–  p.e.,resultantedaexperiênciadeumoperador

•  Nemasaída(temperaturadaáguanotanque)nemoutrasvariáveisdosistema(p.e.,temperaturadaáguanoscanos,temperaturaambiente)sãousadas


QuesucedesehouverPERTURBAÇÕESàscondiçõesnormaisdefuncionamento?Quesucedese:

q  Atemperaturadaáguanascanalizaçõesfordiferentedahabitual?

q  Atemperaturaambienteformaisbaixadoqueusualmente?

q  Odepósitodeáguaquenteficarsemágua?

PERTURBAÇÕES o sinal de saída não tem o valor desejado

OêxitodesteLpodecontroloEMCADEIAABERTAdependede:•  Calibraçãodoelementodecontrolo•  Periodicidadedaocorrênciadasacçõesdecontrolo(experiênciadooperador)•  Ausênciadeperturbações

CADEIAABERTA


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Cap1-11

Exemplos


•  Existeretroação–  Querasaída,queroutrasvariáveisdosistemaafetamaatuaçãodosistema

•  Tipoderetroação–  Manual–  AutomáLca

CADEIAFECHADA

água fria água quente

engrenagens motor Ampl.


controlador

ControloautomáLcoemcadeiafechada

termopares

Tref T

q  Sensores–termopares–tensõeseléctricasproporcionaisàstemperaturaslidasq  Controlador–comparaatemperaturadereferência,Tref,comumafunçãodastemperaturaslidas.

Asaídaéumatensãoeléctricaquevaiactuarosistemaampl+motor+engrenagensq  AmplificadoreMotor–actuaçãonaposiçãoangulardastorneirasq  Engrenagens–omotoréinerentementeumdisposiLvodealtavelocidadeeastorneirasdevemser

actuadaslentamente.


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Cap1-12

ExemplosSistema de controlo de temperatura

•  Aintroduçãodarealimentaçãoreduzosefeitosdeperturbaçõesexternasoudevariaçãodeparâmetros(incertezanomodelodosistemarsico

•  Mas...podeconduzirasituaçõesdeinstabilidade

CADEIAFECHADA

água fria água quente


controlador Tref

T

TmuitobaixoExemplo:posiçãofixanatorneiradeáguafria

Aumentarcaudaldeáguaquente

Háatrasonapropagaçãodaáguaquentenascanalizações

Tbaixaaindamais

Aumentaraindamaiscaudaldeáguaquente

QuandofinalmenteaáguaquenteaLngeatorneira,vemmuitoquente

T>Tref

Diminuirocaudaldeáguaquente

.......

T<TrefGanhoelevado+atrasoèinstabilidade


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Cap1-13

Exemplos

•  Variáveisquesãocontroladas–  Posição(linear,angular)–  Velocidade(linear,angular)–  Força–  Binário

•  Aplicações–  Sistemasdetransporte

•  Elevadores,automóvies,robotsmóvies(terrestresesubmarinos),aviões–  InternaLonalSpaceStaLon(ISS)–  Linhasdemontagememfábricas–  Sistemasdecomunicações

•  Antenas–  DisposiLvoselétricoseeletrónicos

•  LeitoresdeCD•  Máquinasfotográficas•  DiscosdePCs

–  …..

Sistemas mecânicos


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Cap1-14

Exemplos

ANDROSrobotterrestreparaodesmantelamentodebombasEmpresa:REMOTEC

Robotdepintura

Robot de soldadura na indústria

automóvel


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Cap1-15

Exemplos

ManipuladorSoporcel–FigueiradaFoz

MãosrobóBcas

SistemaDaVinci


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Cap1-16

ExemplosSistemas mecânicos de posição Conduçãodeumautomóvelporum

operadorhumano(controlomanual)

condutor

Sistemadecontrolodedirecção

automóvel

Sensoresvisuaisetácteis

+

_

Erro

Direcçãodemovimentodesejada

Direcçãodemovimentoactual

Esenãohouvesseretroacção?

condutor Sistema de controlo de direcção

automóvel

Direcção de movimento desejada

Direcção de movimento actual

•  Queaconteceriase:•  Houvesseumobstáculoinesperado?•  Umadasrodaspassasseporcimadeumobstáculo?•  Umdospneusficassecommenosar?•  OpisoLvesseóleo?

perturbações

Ruidosnossensores

perturbações


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Cap1-17

ExemplosConduçãoautónomadeumautomóvel

Mercedes Driverless Car

Mercedes-Benzhassuccessfullycompletedthefirstautonomouslong-distancedriveever,involvingbothtownandcross-countrytraffic,usingnear-producLon-standardsensorsystems.TheMercedes-BenzS500INTELLIGENTDRIVEresearchvehiclecovered100kilometersfromMannheimtoPforzheim,Germany,underrealtrafficcondiLonsandcomplexsituaLonsincludingtrafficlights,roundabouts,[fromh�ps://www.youtube.com/watch?v=AihC5flC-38,18Sep2013]


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Cap1-18

Exemplo•  ConduçãodeumVeículoGuiadoAutomaLcamente

(AGV)quedeveseguirAUTOMATICAMENTEumatrajectóriadefinidanochão

•  Aplicações–  TransporteautomáLcodemateriaisoude

produtosacabadosemunidadesindustriais–  EFACEC(1991-1992)–projetodoIST+EFACEC

Sistemas mecânicos de posição

Trajectória efectiva

Trajectória desejada

Sensores de posição

Controlador Motor de direcção AGV

Implementado no computador de bordo do AGV

Sinal de erro

Tem características que variam no tempo: •  peso da carga •  envelhecimento do material •  carga das baterias

+ _

Retroacção

Incertezas no modelo matemático do AGV

Perturbações Piso irregular

ruído dos sensores


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Cap1-19

ExemploSistemas mecânicos de posição

•  ControlodeconduçãodeAGVs–  AGVcomcontrolodiferencial

•  Vd–velocidadelineardarodadireita•  Ve–velocidadelineardarodaesquerda•  Vd=vetrajectóriasegundaumarecta•  Vd>veAGVrodaparaaesquerda

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50 60 70

Trajectóriadesejada–rectaEntradasdereferência,vd,vecomvd=ve

Arodaesquerdapassaporcimadeumobstáculosemi-cilíndrico

TrajectóriaefecLva

Trajectóriadesejada=recta

DesempenhodosistemaSEMRETROACÇÃOCONTOLOEMCADEIAFECHADA

Háumaperturbação

Oefeitodaperturbaçãonãoé

rejeitado


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Cap1-20

ExemploSistemas mecânicos de posição

Laser Guided Vehicle Soporcel – Fábrica de Papel

NASA Mars rover Curiosity

•  TrajetóriadesejadavsTrajetóriareal

•  Ocontroloéimplementadoparaqueatrajectóriarealseaproximedatrajectóriadesejada,independentementedasperturbaçõeseincertezas

NASA Mars rover Spirit

ITER–InternaLonalThermonuclear

ExperimentalReactor


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Cap1-21

Exemplos

FornodevidroFábricadaBarbosa&Almeida



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Cap1-22

Exemplos

FornodevidroFábricadaBarbosa&Almeida


sensor

FORNOQueimador

controlador

Variaçõesnacomposiçãodofuel,temperaturadoar,etc

envelhecimento

ºC

ºCnochão

controladorimplementadoemcomputador


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Cap1-23

ExemplosSistemas de controlo industrial

MáquinadepapelemfábricadepapelSoporcel,FigueiradaFoz

Matériaprimaàentrada:pastadepapelSaída:produção(aoritmode72Km/h)deumafolhadepapel,emrolo,comumalargurade8.6meumaespessurade0.1mm

Comprimento:161m

Pastadepapel Bobines

depapel

AlgumasdasvariáveisqueéprecisocontrolarTemperaturaVelocidadeEspessuraHumidade..... Detalhesdoprocessodefabricona

máquinadepapel


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Cap1-24

Exemplos:sistemamecânicosdeposição

Controlodeazimutedeumaantena

perturbações

•  Eliminaçãodoefeitodasperturbações(p.e.,vento)•  Amplificaçãodepotência–resultadodaexistênciado

amplificadordepotência


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Cap1-25

Exemplos:controlodeazimutedeumaantena

•  Controlodeazimutedeumaantena.–  Quandoasaídaéigualàentrada,oerroénuloeomotornãoroda.–  Quantomaioroerro,maioratensãoàentradadomotor,emaiora

velocidadederotaçãodomotor.

•  Consequênciadeaumentaroganhodoamplificador?–  Variaovalordasaídaemregime

estacionário?•  Não.Variaapenasaresposta

transitória.•  Oerroemregimeestacionário

mantém-senulo.


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Cap1-26

Exemplos:estruturadocontrolador

§  Perguntas:§  Consequênciasdoaumentodoganhodocontrolador?§  Épossívellevaroerroemregimeestacionáriopara

zeroporaumentodoganhodocontrolador?

ProcessoGanho+_

Controlador

ProcessoSistemadinâmico

+_

Compensador

§  Resposta:§  Usarumcompensador(sistemadinâmico)devidamente

projectadopodelevaraanularoerroemregimeestacionárioseminduzirgrandesoscilaçõesnarespostatransitória.

Sistemacomerroemregimeestacionárionãonulo


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Cap1-27

Exemplos

RemotelyOperatedVehicle(ROV)

Controlodeposição–referidoaO–canalacúsLco

ControlodeaLtute–referidoaO’–giroscópiosecâmaras

ROVMotores

depropulsão

giroscópio

CanalacúsLco

Controlador

d(correntes)

n1

n2

Incertezasnomodelo

trajectória

posição

orientação


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Cap1-28

Exemplos

VeículoSubmarinoAutónomo

orientaçãodesejada

orientaçãoreal

ObjecLvodocontrolo:levaroerrodeorientaçãodoveículoparazero


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Cap1-29

Exemplos

VeículoSubmarinoAutónomo

•  MovimentonoplanohorizontalSistemadecontrolodeorientação

COMPUTADOR+

ALGORITMODECONTROLO

Veículo+

SENSORDEORIENTAÇÃO

Valordesejado

LemeverBcal

•  Omodelodoveículonãotraduzexactamenteocomportamentodoveículo.Háincertezas.

•  Oveículoestásujeitoaperturbações(p.e.,correntes)

•  Ossinaisdossensoressãoruidosos


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Cap1-30

Exemplos

Veículosmarinhos

Vai-vémSubmarino

DELFIM-ISR,Lisboa


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Cap1-31

Exemplos

Veículosaéreos

X-Treme-ISR,Lisboa

Helicóptero Autónomo

Quadcopters-UniversidadedeMacau,ISR,Lisboa


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Cap1-32

ExemplosControloCooperaLvodeUAVs(UnmannedAirVehicles:NPS,Monterey,CA/IST-ISR,PT/Univ.Illinois)

Veículosaéreos


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Cap1-33

Exemplos

Arquiteturadecontrolo Veículosaéreos


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Cap1-34

Exemplos

RobóLcacooperaLva


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Cap1-35

Exemplos

ControloCooperaLvode3Medusas(Julho-Set.2011)

OsveículosMEDUSA(ISR/IST)

RobóLcacooperaLva


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Cap1-36

Exemplos

DoconceitoàpráLca

RobóLcacooperaLva


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Cap1-37

OutrosExemplos–ControloCooperaLvo

•  2VeículosMedusa(Sesimbra,2011)


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Cap1-38

OutrosExemplos–ControloCooperaLvo

•  2VeículosMedusa(Sesimbra,2011)


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Cap1-39

OutrosExemplos

•  ModernapplicaLonsofcontrol–  Control=sensing,actuaLonandcomputaLon–  Digitalcontrolsystemsareincreasinglycommon–  ApplicaLonsacrossengineeringandscience


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Cap1-40

Sistemasdecontroloemcadeiafechada

Nomenclatura

Transdutordeentrada Controlador Sistema

rsico++

+ +EntradadeReferência Variável

Controlada

Perturbação Perturbação

Transdutordesaídaousensor

+_

ErroActuador

+

+

Sinaldecomando

Ruídonossensores

Cadeiaderetroacção


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Cap1-41

Fasesnoprojetodecontrolo

•  Modelação–  Encontrarasleisqueregemocomportamentodo

sistema,aparLrdeconsideraçõesdeordemrsica•  PodemserconsideradashipótesessimplificaLvas

•  DoModeloparaaRepresentaçãoMatemáBca–  ULlizaçãodasleisrsicasnatraduçãomatemáLcadas

hipótesessimplificaLvasdamodelação–  EsLmaçãodosparâmetrosdomodelo(p.e.,por

experimentação)–  Aomesmomodelopodemcorresponderdiversas

representaçõesmatemáLcas

•  Análise–  CaracterizaçãodoComportamentodoSistema

•  Respostanotempo,respostaemfrequência,estabilidade,…

•  Síntese–  Projetodecontroladoresparaquearespostado

sistemasaLsfaçadeterminadasespecificações

Sistema Físico

Modelo

Representação Matemática

Análise

Síntese/Projecto

modelação

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