São os dispositívos que "controlam" um sistema de Automação.
Podem contolar uma malha ou loop de controle (single-loop) ou mais de um loop (mult-loop).
Entre eles podem estar os controladores de processos, PLC, e as soluções DCS.
Tomam as decisões nos sistemas de controles (SC), de acordo com a entrada de sinal enviada por um elemento primário também chamado elemento sensor (sensores de temperatura, pressão, vazão, etc..) executa a lógica de controle pré-determinada (através de programação), compara com a a realimentação, retorno, ou feed-back (em controle de malha fechada abaixo explicado), enviando um sinal de comando ao atuador, ou elemento final de controle (válvulas, atuadores, servo-motores, inversores de frequência, etc...)
Ações de Controle:
A forma de controlar dos Atuadores se divide em:
· Controle liga-desliga (on-off) :
O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída supera a entrada, desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador.
Ex.: Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o atuador.
As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas.
· Controle proporcional (P) :
A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador.
Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada).
Ex: Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista.
Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para manter acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional ao ganho do controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece quase estável (controlada).
Este erro limita a precisão do controle proporcional.
· Controle Integral (I) :
Este controle utiliza um integrador como controlador. O integrador é um circuito que executa a operação matemática da integração, que pode ser descrita como o somatório dos produtos dos valores instantâneos da grandeza de entrada por pequenos intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final (período de integração). Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico.
Ex: Se a grandeza for constante, G, a integral desta entre um tempo t1 = 0 e um tempo t2 será igual a G t2, que corresponde à área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo. Se fizermos um gráfico da integral desde o tempo t1 até t2, teremos uma reta desde 0 até G t2, pois a área (ou o somatório) irá aumentando à medida que o tempo passa.
O uso do integrador como controlador faz com que o sistema fique mais lento, pois a resposta dependerá da acumulação do sinal de erro na entrada, mas leva a um erro de regime nulo, pois não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador, e acionamento do atuador após o período transitório. Assim o controle é muito preciso, embora mais lento.
· Controle proporcional e integral (PI) :
É a combinação dos dois controles anteriores, realizada pela soma dos sinais vindos de um amplificador e um integrador.
Este controlador alia a vantagem do controle proporcional, resposta mais rápida, com a do integral, erro de regime nulo. É mais usado que os anteriores.
· Controle proporcional e derivativo (PD) :
Combinação entre o controle proporcional e o derivativo, que se baseia no diferenciador, um circuito que executa a operação matemática derivada. Esta pode ser entendida como o cálculo da taxa (ou velocidade) de variação da grandeza de entrada, em relação ao tempo (ou outra grandeza). Isto se assemelha à média entre os valores da grandeza entre dois instantes, se estes instantes forem sucessivos (intervalo muito pequeno), esta média será a derivada da grandeza no instante inicial. Assim, a derivada indica a tendência de variação da grandeza.
O controle apenas derivativo não seria viável, pois não responderia ao sinal de erro, mas somente à sua tendência de variação.
Quando somada a saída proporcional do amplificador com a do diferenciador, ambos tendo o sinal de erro na entrada, temos o controlador proporcional e derivativo.
A vantagem deste controle é a velocidade de resposta, que se deve à imediata reação do diferenciador: inicialmente, o erro é grande, e o diferenciador fornece um sinal forte ao atuador, que provoca rápida variação na grandeza controlada, à medida que o erro vai diminuindo, o diferenciador apresenta uma saída menor (de acordo com a velocidade de variação na grandeza), reduzindo a ação do atuador, o que evita que se passe (ou passe demais) do valor desejado (entrada).
A desvantagem é que o diferenciador é um circuito muito susceptível a ruídos de alta freqüência, pois é um filtro passa-altas, o que pode levar a distúrbios durante o processo de controle.
· Controle proporcional, integral e derivativo (PID) :
É a combinação do anterior com o integral. Isto se faz somando os sinais de saída de um amplificador, um diferenciador e um integrador, todos eles com o sinal de erro aplicado na entrada.
Assim, temos um compromisso entre a velocidade de atuação, devida ao diferenciador, e erro de regime nulo (precisão), devido ao integrador.
Este é o mais usado dos tipos de controle eletrônicos. Os parâmetros deste sistema podem ser alterados ajustando-se os potenciômetros (que alteram as constantes de integração e diferenciação), o que dá flexibilidade a estes sistemas analógicos somente superadas pelos digitais.
Tomam as decisões nos sistemas de controles (SC), de acordo com a entrada de sinal enviada por um elemento primário também chamado elemento sensor (sensores de temperatura, pressão, vazão, etc..) executa a lógica de controle pré-determinada (através de programação), compara com a a realimentação, retorno, ou feed-back (em controle de malha fechada abaixo explicado), enviando um sinal de comando ao atuador, ou elemento final de controle (válvulas, atuadores, servo-motores, inversores de frequência, etc...)
Ações de Controle:
A forma de controlar dos Atuadores se divide em:
· Controle liga-desliga (on-off) :
O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída supera a entrada, desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador.
Ex.: Nos fornos elétricos e geladeiras, o calefator ou compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o atuador.
As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas.
· Controle proporcional (P) :
A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador.
Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada).
Ex: Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista.
Note que, sendo um amplificador do sinal de erro, sempre tem que haver um erro após o transitório, período inicial durante o qual o controlador reage intensamente, para manter acionado o atuador. É o erro de regime permanente, que é inversamente proporcional ao ganho do controlador. O regime permanente é a fase após o transitório, durante o qual a saída permanece quase estável (controlada).
Este erro limita a precisão do controle proporcional.
· Controle Integral (I) :
Este controle utiliza um integrador como controlador. O integrador é um circuito que executa a operação matemática da integração, que pode ser descrita como o somatório dos produtos dos valores instantâneos da grandeza de entrada por pequenos intervalos de tempo, desde o instante inicial até o final (período de integração). Isto corresponde à área entre a curva da grandeza e o eixo do tempo, num gráfico.
Ex: Se a grandeza for constante, G, a integral desta entre um tempo t1 = 0 e um tempo t2 será igual a G t2, que corresponde à área, no gráfico da grandeza, de um retângulo naquele intervalo de tempo. Se fizermos um gráfico da integral desde o tempo t1 até t2, teremos uma reta desde 0 até G t2, pois a área (ou o somatório) irá aumentando à medida que o tempo passa.
O uso do integrador como controlador faz com que o sistema fique mais lento, pois a resposta dependerá da acumulação do sinal de erro na entrada, mas leva a um erro de regime nulo, pois não é necessário um sinal de entrada para haver saída do controlador, e acionamento do atuador após o período transitório. Assim o controle é muito preciso, embora mais lento.
· Controle proporcional e integral (PI) :
É a combinação dos dois controles anteriores, realizada pela soma dos sinais vindos de um amplificador e um integrador.
Este controlador alia a vantagem do controle proporcional, resposta mais rápida, com a do integral, erro de regime nulo. É mais usado que os anteriores.
· Controle proporcional e derivativo (PD) :
Combinação entre o controle proporcional e o derivativo, que se baseia no diferenciador, um circuito que executa a operação matemática derivada. Esta pode ser entendida como o cálculo da taxa (ou velocidade) de variação da grandeza de entrada, em relação ao tempo (ou outra grandeza). Isto se assemelha à média entre os valores da grandeza entre dois instantes, se estes instantes forem sucessivos (intervalo muito pequeno), esta média será a derivada da grandeza no instante inicial. Assim, a derivada indica a tendência de variação da grandeza.
O controle apenas derivativo não seria viável, pois não responderia ao sinal de erro, mas somente à sua tendência de variação.
Quando somada a saída proporcional do amplificador com a do diferenciador, ambos tendo o sinal de erro na entrada, temos o controlador proporcional e derivativo.
A vantagem deste controle é a velocidade de resposta, que se deve à imediata reação do diferenciador: inicialmente, o erro é grande, e o diferenciador fornece um sinal forte ao atuador, que provoca rápida variação na grandeza controlada, à medida que o erro vai diminuindo, o diferenciador apresenta uma saída menor (de acordo com a velocidade de variação na grandeza), reduzindo a ação do atuador, o que evita que se passe (ou passe demais) do valor desejado (entrada).
A desvantagem é que o diferenciador é um circuito muito susceptível a ruídos de alta freqüência, pois é um filtro passa-altas, o que pode levar a distúrbios durante o processo de controle.
· Controle proporcional, integral e derivativo (PID) :
É a combinação do anterior com o integral. Isto se faz somando os sinais de saída de um amplificador, um diferenciador e um integrador, todos eles com o sinal de erro aplicado na entrada.
Assim, temos um compromisso entre a velocidade de atuação, devida ao diferenciador, e erro de regime nulo (precisão), devido ao integrador.
Este é o mais usado dos tipos de controle eletrônicos. Os parâmetros deste sistema podem ser alterados ajustando-se os potenciômetros (que alteram as constantes de integração e diferenciação), o que dá flexibilidade a estes sistemas analógicos somente superadas pelos digitais.
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