CURSO TÉCNICO EM AUTOMAÇÃO

PROFESSOR: Carlos Alexandre Pavonato

DISCIPLINA: Instrumentação II (INSII)

CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

A indústria de transformação necessita da realização do controle de processos

industriais para garantir a eficiência e a qualidade, por exemplo, das linhas de
produção automatizadas. Caso contrário, seria impossível trabalhar de maneira correta
e ter uma previsão de resultados e produtividade. Atualmente uma realização eficaz do
controle dos processos é fundamental para o bom funcionamento das plantas
industriais.

1 Introdução

No início, a humanidade não conhecia os meios para se obter a energia a partir

da matéria. Desse modo, a energia era fornecida pelo próprio trabalho humano ou
pelos trabalhos de animais domésticos. Somente no século XVIII, com o advento das
máquinas a vapor, conseguiu-se transformar a energia da matéria em trabalho.

Porém, o homem apenas teve a sua condição de trabalho mudada, passando

do trabalho puramente braçal ao trabalho mental. Nesse momento, cabia ao homem o
esforço de tentar “controlar” esta nova fonte de energia, exigindo dele então muita
intuição e experiência, além de expô-lo constantemente ao perigo devido à falta de
segurança.

1
 No princípio, isso foi possível devido à baixa demanda. Entretanto, com o
aumento acentuado da mesma, o homem viu-se obrigado a desenvolver técnicas e
equipamentos capazes de substituí-lo nesta nova tarefa, libertando-o de grande parte
deste esforço braçal e mental, daí então surgiu um termo denominado de controle
automático (figura 1), utilizado abundantemente nos processos industriais dos dias
atuais.

Figura 1 – Classificação do controle automático

O controle de processos industriais pode ser definido como uma solução da

área de automação industrial. Ele é realizado por máquinas chamadas de
controladores de processos, que têm como principais funções:

• Medir o valor da variável de processo;

• Determinar sinal de correção;

• Aplicar correção.

No chão de fábrica, elas são responsáveis por controlar uma parte do processo
industrial ou ele por inteiro. Tudo é feito por meio de algoritmos lógicos e/ou
matemáticas previamente estabelecidas e específicas, como o PID (técnica que será
analisada posteriormente).

O ciclo de controle de processos industriais ocorre resumidamente da seguinte

forma, constando das seguintes etapas (independentemente da grandeza controlada):

2
• Controlador recebe medida do sensor;

• A medida é comparada com a referência;

• O sinal de correção é calculado com base no algoritmo;

• O ajuste é enviado para o atuador.

Ciclicamente dessa forma são realizados os monitoramentos e os controles dos

processos industriais da atualidade, cada qual com seus elementos e características
físicas individuais.

2 Evolução histórica do controle automático

O primeiro controlador automático industrial conhecido é o regulador centrífugo

inventado em 1775, por James Watt, para o controle de velocidade das máquinas à
vapor (figura 2). Esta invenção foi puramente empírica, e ocorreu na época dos
meados da revolução industrial.

Figura 2 – Regulador centrífugo (James Watt)

3
 Nada mais aconteceu no campo de controle até 1868, quando Clerk Maxwell,
utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do
comportamento de um sistema máquina-regulador.

Por volta de 1900 aparecem outros reguladores e servomecanismos aplicados

à máquina a vapor, a turbinas e a alguns processos. Durante a primeira guerra
mundial, Minorsky cria o servocontrole, também baseado na realimentação, para a
manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo sobre o assunto.

O trabalho pioneiro de Norbert Wiener (1948) sobre fenômenos neurológicos e

os sistemas de controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento
de sistemas complexos de automação. A partir desse ponto o progresso do controle
automático foi muito rápido.

Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos de medidas

primárias, transmissão das medidas (transmissores), de regulação (controles
pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas, válvulas
solenóide, servomotores entre outros), de registro (registradores), de indicação
(indicadores analógicos e digitais), de computação (relés analógicos, relés digitais com
microprocessador), controladores lógicos programáveis (CLP’s) (figura 3), entre
outros.

Figura 3 – CLP (fabricante Siemens)

Estes equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias

de controle simples ou múltiplas, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a
um grande número de tipos de processos.

4
 Em 1932, H. Nyquist, da Bell Telephone, cria a primeira teoria geral de controle
automático com sua “Regeneration Theory”, na qual se estabelece um critério para o
estudo da estabilidade dos sistemas de controle automáticos (figura 4).

Figura 4 – Teorema de Nyquist (amostragem de sinal)

3 Conceitos e considerações básicas de controle automático

A implementação do controle automático de processos na indústria pode trazer

muitos benefícios em relação à qualidade do produto final e economia de tempo de
produção:

• Aumento da qualidade do produto;

• Aumento da quantidade de produção;

• Redução de desperdícios de material e tempo;

• Melhoria da segurança da produção.

Assim, todos os graus de automação são disponíveis hoje para auxiliar na

transferência de tarefas difíceis para as máquinas e no alívio de fazer tarefas
repetitivas ou perigosas por exemplo, para o aumento da qualidade dos produtos e
preservação da saúde ocupacional dos trabalhadores.

5
 Pode-se concluir dessa forma que com essas implantações são obtidas
diversas vantagens nos processos produtivos em geral:

• Aumento da produtividade das máquinas e equipamentos;

• Melhorias na qualidade dos produtos de modo abrangente;

• Operações mais seguras para o pessoal envolvido;

• Redução dos impactos ambientais das atividades realizadas.

3.1 Conceitos

O controle automático tem como finalidade a manutenção de uma certa

variável ou condição em um certo valor (fixo ou variante). Este valor que foi
mencionado é o valor desejado, que o processo em questão deverá controlar.

Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera

basicamente da seguinte forma:

• Medida do valor atual da variável que se quer regular;

• Comparação do valor atual com o valor desejado;

• Determinação do desvio (ou erro);

• Utilização do desvio para a geração de um sinal de correção;

• Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado

o desvio (reconduzir-se a variável ao valor desejado);

• O sinal de correção introduz variações de sentido contrário ao erro e o elimina.

Resumidamente pode-se definir controle automático como a manutenção do

valor de uma certa condição através da sua média, da determinação do desvio em
relação ao valor desejado, e da utilização do desvio para se gerar e aplicar uma ação
de controle capaz de reduzir ou anular o desvio.

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 Para exemplificar pode-se considerar o controle de temperatura da água
contida num depósito, de uma maneira simplificada (figura 5).

Figura 5 – Controle de temperatura de água

De todas as grandezas relativas ao sistema (nível, pressão, vazão, densidade,

pH, energia fornecida, salinidade, entre outras) a grandeza na qual será realizada o
controle, no caso da figura exemplificada, é regular a temperatura da água. A
temperatura é então a variável controlada.

Um termômetro de bulbo permite medir o valor atual da variável controlada. As

dilatações e contrações do fluido contido dentro do bulbo vão obrigar o “bourdon” (tubo
curvo de seção elipsoidal) a enrolar ou desenrolar. Os movimentos do extremo do
bourdon traduzem a temperatura da água, a qual pode ser lida numa escala.

No diagrama representa-se um contato elétrico no extremo do bourdon e outro

contato de posição ajustável de acordo com a necessidade de cada processo.
Admitindo que se quer manter a temperatura da água nas proximidades de 50ºC. Este
valor da temperatura da água é o valor desejado (também chamado de setpoint).

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 Se a temperatura, por qualquer motivo, ultrapassar o valor desejado, o contato
do termostato estará aberto. A bobina do contator não estará excitada e o mesmo
mantém interrompida a alimentação da resistência de aquecimento.

Não havendo fornecimento de calor, a temperatura da água vai cair devido às

perdas e a temperatura irá se aproximar do valor desejado. Quando, pelo contrário, a
temperatura é inferior ao valor desejado o bourdon enrola e fecha o contato do
termostato, o contator fecha seu contato e vai alimentar a resistência de aquecimento.

Em consequência, a temperatura da água no depósito vai subir de modo a

aproximar-se novamente do valor desejado. Normalmente as cadeias de controle
industriais são muito mais elaboradas e complexas.

Conforme será analisado em apostilas posteriores, este tipo de controle é uma

malha de controle do tipo ON-OFF (liga/desliga). O sinal de controle apenas pode
assumir dois valores. Na maior parte dos casos, a função que relaciona o sinal de
controle com o desvio é muito mais elaborada, envolvendo diversas malhas de
controle.

Pode-se agora representar um diagrama simbólico das várias funções e

variáveis encontradas (figura 6). Alguns dos elementos de medida e os elementos de
comparação e de computação fazem normalmente parte do instrumento chamado de
controlador.

Figura 6 – Esboço da malha de controle citada e seus elementos

8
 Para facilitar o entendimento de alguns termos que serão utilizados e
explanados durante os estudos sobre controle de processos industriais, será fornecida
de forma sucinta as definições de cada um dos mesmos (figura 7).

3.2 Definições

A base para o entendimento de qualquer sistema de controle de processos

depende desses conceitos porque os mesmos são genéricos, isto é, podem ser
utilizados independentemente do tipo da grandeza que está sendo controlada ou
monitorada:

Figura 7 – Termos constituintes de uma malha de controle de processos

3.2.1 Referência ou Setpoint (SP)

Trata-se do valor desejado estabelecido previamente como referência para a

variável que se deseja monitorar. Conhecido também como entrada de referência, o
ponto de ajuste SP (Setpoint) é o valor de referência que o sistema de controle deverá
“seguir”.

Considerando como exemplo um sistema de ar-condicionado, seria o ajuste

feito através dos botões de regulagem, ou seja, seria a temperatura que se deseja
obter no ambiente que o sistema esteja climatizando.

Este valor é comparado com o valor da saída do processo (PV) e o resultado

desta comparação (chamado de sinal de erro) serve como entrada para o controlador,
para que o mesmo tenha uma referência de como se encontra a temperatura do
ambiente.

Para os ambientes industriais (na prática) os sinais mais comuns de setpoint

para manipulação que podem ser aplicados aos controladores são os sinais de tensão
ou de corrente elétricas aplicados às suas entradas.

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 Considerando tensão o sinal mais utilizado (contínuo) seria o sinal de 0 a 10V,
(tendo ainda como menos usados 0 a 5V, 0 a 50mV, entre outros). Considerando o
sinal de corrente mais utilizado (contínuo) seria o sinal de 4 a 20mA (tendo ainda como
menos utilizado o sinal de 0 a 20mA).

Como os sinais de sensores e outros elementos em muitas vezes possuem

características particulares e diferentes dos padrões, em muitos casos são utilizados
conversores destes sinais diferenciados nos padrões de tensão e corrente
apresentados acima. Dessa forma os sinais são convertidos e mantidos os valores
considerados padrão (figura 8).

Figura 8 – Conversor de sinal (tensão e corrente padronizadas)

3.2.2 Controladores

Estes são equipamentos responsáveis pelo controle de todo o processo

industrial ou de uma parte dele, por meio de algoritmos lógicos ou matemáticos
específicos, como por exemplo, o controle PID (Proporcional Integral Derivativo).

Na automação industrial um controlador é normalmente responsável por uma

única malha de controle. Ela pode, por exemplo, controlar a temperatura, vazão,
pressão, nível, posição, entre outras variáveis (figuras 9 e 10).

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Figura 9 – Controlador universal de processos industriais NOVUS Figura 10 – Inversor de frequência WEG

3.2.3 Variável Manipulada (MV)

Esta pode ser definida como a grandeza que é operada com a finalidade de
manter a variável controlada no valor desejado. Pode também ser chamada de “sinal
controlado”.

É a grandeza que é variada pelo controlador (saída do controlador), de modo a

afetar o valor da variável controlada, que é a grandeza que deseja-se manipular.

No exemplo do nível do fluido no tanque, a “MV” pode ser um sinal de tensão

ou corrente que vai regular a abertura da válvula e, por sua vez, vai afetar o nível do
tanque, exercendo controle sobre o mesmo.

No caso de inversores de frequência e servoacionamentos a MV pode ser o

sinal PWM (figura 11) de saída que é aplicado aos motores. Por meio a aplicação dos
sinais de variáveis manipuladas ocorre a alteração dos estados das plantas (atuadores
em conjunto com os processos).

Estas alterações são detectadas e dessa forma alteram o comportamento da

planta, até atingir o ponto solicitado para o sistema (setpoint).

Resumidamente essa é a maneira pela qual os processos industriais são

controlados na prática, independentemente da variável industrial que se deseja
manipular.

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 Figura 11 – Exemplo de sinal PWM (variável manipulada)

3.2.4 Planta

Uma planta é uma parte de um equipamento, eventualmente um conjunto de

itens de uma máquina, que funciona conjuntamente, cuja finalidade é desenvolver uma
dada operação.

É a planta que irá atuar diretamente na variável que se deseja manipular, por
meio do sinal da variável manipulada que é aplicada pelo controlador do processo.

3.2.5 Atuador

Atuador é um dispositivo que produz movimento, convertendo energia

pneumática, hidráulica ou elétrica, em energia mecânica. Como exemplo, pode-se citar
atuadores de movimento induzido por cilindros hidráulicos e pneumáticos, motores
hidráulicos e motores elétricos (figuras 12 e 13).

Estes mecanismos transformam, em geral, a energia de entrada (diversas

naturezas) em movimentos de saída. Podem ser classificados como lineares (quando

12
 o movimento realizado é de translação) ou rotativos: quando o movimento realizado é
giratório.

Estes são responsáveis por proporcionar a força motriz em uma linha.

Existem três tipos clássicos de atuadores para válvulas, classificadas como
pneumáticas, elétricas ou hidráulicas.

Tal como o nome sugere, um servomecanismo deve obedecer a comandos.

Sendo geralmente acoplado a um equipamento de controle, ele informa ao sistema
quanto ao andamento da tarefa executada. Uma das formas de fazer isso é por meio
de transdutores de posição como potenciômetros, encoders, entre outros.

Podem ser citados como atuadores elementos como válvulas, contatores, pás,
cancelas, aquecedores resistivos ou qualquer outro que execute um comando
recebido de outro dispositivo, com base em uma entrada, com o objetivo de modificar
a dinâmica física de um sistema.

Figura 12 – Válvula posicionadora SMAR Figura 13 – Motores elétricos WEG

3.2.6 Processos

Processo é todo arranjo de elementos ativos e/ou passivos, organizados de tal

forma a executar uma função determinada. Estes sempre vão envolver alguma
operação física, sempre vai envolver transformação ou transporte de matéria ou
energia (figura 14).

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 Neste exemplo de um processo de tanque de nível o fluxo de entrada do fluido
é denominado de “Qe” e o fluxo de saída do fluido é denominado de “Qs”, além do
nível do fluido que foi determinado “L”.

Figura 14 – Processo industrial (nível de fluido de um tanque)

Um processo pode ser considerado como uma operação a ser controlada, da

qual é possível se fazer um modelo matemático por meio de equações diferenciais.
Geralmente os processos realizam operações químicas, físicas, biológicas (entre
outras) em materiais ou objetos, para a obtenção de produtos.

3.2.7 Variável de Processo (PV)

A variável de processo (PV) ou variável de saída pode ser definida como

qualquer quantidade, propriedade ou condição física medida a fim de que se possa
efetuar a indicação ou controle do processo (neste caso, também chamada de variável
controlada).

A “PV” (figuras 15 e 16) seria denominada de qualquer quantidade, propriedade

ou condição física medida afim de que se possa efetuar a indicação e/ou o controle do
processo. É o sinal de saída real da grandeza que está sendo controlada ou
manipulada no processo.

14
 Na realidade a variável de processo pode ser representada nos sistemas de
controle como temperatura, velocidade, posição, umidade, pressão, vazão, pH, entre
muitos outras.

Figura 15 – Exemplo de PV (temperatura) Figura 16 – Exemplo de PV (temperatura, vazão, nível)

3.2.8 Realimentação (transdutor / sensor)

É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser

comparada com a entrada, pode também ser chamada de “feedback” do sistema.
Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma sequência
fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema.

Pode ser definida de forma prática como sendo a “confirmação” de que o valor
estipulado no SP (setpoint) para a grandeza que está sendo controlada foi atingido
pelas ações sobre a planta.

Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defasagem entre

o valor desejado e o valor do processo (erro), esta recebe o nome de realimentação
negativa ou mesmo retroalimentação.

Como mencionado anteriormente, realimentação é o procedimento em que a

informação da saída do sistema é utilizada na entrada deste mesmo sistema, seria o
sinal de retorno proveniente dos sensores (figura 17) quando estes entram em contato
com a variável (grandeza) que está sendo monitorada.

15
 Figura 17 – Exemplos de sensores industriais

A realimentação pode ser positiva ou negativa. A realimentação é positiva

quando o sinal do erro não é uma diferença (SP - PV), mas sim uma soma (SP + PV).
A realimentação positiva é pouco utilizada e, em alguns casos, pode instabilizar um
processo que seja naturalmente estável.

A maioria das malhas fechadas de controle utiliza o princípio de realimentação

negativa (figura 18). A realimentação é negativa quando a atuação no processo é feita
para diminuir o desvio entre a medição da grandeza real (variável de processo) e o
ponto de referência do sistema (setpoint), ou seja, diminuir o erro (SP - PV).

Figura 18 – Realimentação (feedback) de um sistema de controle

16
3.2.9 Distúrbio e erro

Durante a realização de controle de processos industriais, é comum a

ocorrência de distorções das características dos mesmos, podendo afetar o valor das
variáveis envolvidas neste controle. Estes podem ser chamados de distúrbios, ruídos
ou ainda perturbações.

Distúrbio pode ser definido como sendo um sinal que tende a afetar
adversamente o valor da variável controlada (PV), pode surgir devido a alguma
interferência no processo.

Na maioria dos casos, a perturbação (figura 19) afeta a variável controlada

(saída do processo), mas pode também, em alguns casos, afetar a variável
manipulada (entrada do processo), na saída dos controladores.

Figura 19 – Distúrbios ou perturbações nos sistemas de controle

No exemplo de controle de nível, a perturbação pode ser um fluxo de entrada

adicional “Qp”, que altera de forma inesperada o nível do tanque, dificultando a ação
dos envolvidos no controle deste nível.

Já o sinal de erro representa o valor resultante da diferença entre o valor da

variável de processo (PV) e do valor do setpoint de referência (SP), podendo também
ser chamado de desvio.

17
 Quando o erro “zera” significa que o valor estipulado no setpoint foi atingido
pelo processo. Geralmente o erro serve como entrada para o controlador do sistema.
Seria a diferença entre o setpoint e a realimentação.

3.2.10 Sistema

Um sistema pode ser definido como sendo uma combinação de componentes

que atuam em conjunto e realizam certo objetivo. No caso dos sistemas de controle
industriais pode-se afirmar que o objetivo seria o controle da variável (grandeza)
desejada.

Um sistema é caracterizado por possuir uma relação bem definida entre

entrada e saída. Seguindo o mesmo exemplo citado anteriormente, um sistema de
controle de nível, onde o setpoint (SP), a variável manipulada (MV) e a variável de
processo (PV) são as variáveis envolvidas.

PV é a variável de saída, que é comparada com SP, variável de entrada. Estas

ainda são representadas pelas grandezas “Qe” (fluxo de entrada) e “Qs” (fluxo de
saída). A simbologia e a identificação dos instrumentos são feitas por um conjunto de
letras (LCV, LIC e LT neste exemplo) (figura 20).

Figura 20 – Sistema de controle de nível

18
 Nestas simbologias (que serão tratadas mais profundamente em assuntos
próximos), LCV regula o fluxo da entrada do fluido no tanque por meio da abertura da
válvula. O nível do fluido é representado pela letra “L” e seria a variável à ser
controlada no sistema.

Resumidamente pode-se analisar este sistema de controle da seguinte forma:

o início deste controle se dará pela determinação do setpoint do nível do fluido no
reservatório desejado no sistema (representado pela letra “L”). Este valor estará
setado no controlador do processo (representado pela tag “LIC1”), e será a referência
do sistema.

Supondo que inicialmente o nível esteja equivalente ao valor determinado pelo

setpoint, sendo nulos os fluxos de saída “Qs” e de entrada “Qe”, pelo fato da válvula
“LCV1” estar totalmente fechada. Dessa forma o “erro” do sistema seria nulo e
nenhuma ação será tomada pelos elementos do sistema.

Conforme cai o nível do reservatório pelo aumento do fluxo (vazão) na saída

(representado por “Qs”), a variável de processo (PV) irá se alterar para menor, sendo
este um valor diferente do estabelecido no setpoint (SP).

O controlador do processo irá analisar esta mudança e produzir uma alteração

no valor da variável manipulada (MV), que por sua vez irá atuar sobre a planta do
sistema, que nesse caso será a válvula proporcional (LCV1), que irá aumentar o valor
do fluxo (vazão) do fluido de entrada (representado por “Qe).

4 Classificação dos sistemas de controle

O principal objetivo de um sistema de controle é regular o comportamento de

outros dispositivos ou manter uma quantidade física em um valor constante (variável).
Os sistemas de controle estão presentes em diversos equipamentos tecnológicos.

Sua aplicação vai desde uma simples torradeira elétrica até a mais complexa
aeronave, com diversas malhas de controle. São diversas as técnicas para se realizar
um controle adequado nos elementos da planta, como exemplo o ajuste dos ganhos
do PID (ganhos proporcional, integral e derivativo).

19
4.1 Controle em malha aberta e controle em malha fechada

Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle

em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é
determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do
sistema para produzir a saída, sempre buscando fazer com que o valor da variável de
processo (PV) se iguale ao valor estipulado no setpoint (PV).

4.1.1 Sistema de controle em malha aberta

É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto

a saída não tem efeito na ação de controle (figura 21). Neste caso a saída não é
medida e nem comparada com a entrada.

Isto significa que independentemente do que acontecer o controlador não irá

tomar nenhuma ação para corrigir o valor do erro, não existe uma “tomada de decisão”
por parte dos elementos para a correção dos valores das variáveis envolvidas.

Figura 21 – Sistema de controle em malha aberta

Um exemplo prático deste tipo de sistema é a máquina de lavar roupa. Após ter
sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos
tempos pré-determinados nos programas de lavagem, o tempo é o único responsável
por controlar as ações no sistema.

Dessa forma, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de
forma correta (após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa).

20
 Da mesma forma pode ser citada a torradeira elétrica, onde o pão ficará
exposto ao calor da resistência elétrica de aquecimento pelo tempo pré-programado
no equipamento, isto é, a torradeira não irá verificar se o pão está torrado
adequadamente após a operação, simplesmente o processo será controlado pelo
tempo).

4.1.2 Sistema de controle em malha fechada

É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída.

Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme
pode ser visto através da, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim
de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado.

O sistema de malha fechada (figura 22) possui a “tomada de decisão”, por ter
uma referência de medição da variável de processo pelo sinal de realimentação vindo
dos sensores.

Um exemplo prático (e muito simples) deste tipo de controle, é o controle de

temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável
pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação
entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no
valor por ele tido como desejado para o banho.

Figura 22 – Sistema de controle em malha fechada

21
 A ação do controlador do sistema é corretiva, e só há correção nos valores dos
sinais quando se detecta o erro entre a PV (variável controlada) e o SP (setpoint).
Mesmo que a detecção do erro seja rápida, a resposta de toda a malha de controle
pode ser demorada e o atraso da resposta pode implicar em mau controle, afetando o
comportamento do sistema.

Por este motivo existem os ajustes dos ganhos do sistema (como exemplo o
PID), que servem para melhorar as performances do mesmo como um todo. São
melhoradas diversas características como estabilidade, tempo de resposta,
sobressinal, erro, histerese, tempo de subida do sinal, entre muitos outros.

5 Malhas aberta e fechada (exemplos)

Caminhando lado a lado com a robótica e a automação, existe a teoria de

controle, que é muitas vezes temida devido à complexidade que apresenta. Devido a
isso, é preciso entender alguns conceitos básicos que o envolvem, como sistemas de
malha aberta e de malha fechada.

De maneira geral, o controle de sistemas busca otimizar um processo de modo

que uma saída específica seja alcançada a partir de uma entrada de referência
fornecida, sempre da melhor maneira possível.

Dessa forma, a malha que rege esse sistema seria a representação em forma
de fluxograma dos dados, desde entrada até a saída. A malha, por sua vez, pode ser
uma malha aberta, sem realimentação, ou uma malha fechada, com realimentação.
Uma se difere da outra pelo fato da malha fechada possuir recursos para realizar
correções nos valores das variáveis envolvidas, buscando equalizar o valor da variável
de processo (PV) com o setpoint estipulado para o controlador.

Trazendo isso para um exemplo prático, utilizando a velocidade de um veículo

como objeto de estudo. Assim, numa estrada plana, supondo que o motorista deve
aplicar uma força “X” no pedal do acelerador (entrada) para manter a velocidade
constante em 60 km/h (saída).

Por não possuir uma realimentação, o veículo vai sempre imprimir o mesmo
torque para uma entrada “X” no acelerador. Ainda assim, ao subir uma ladeira, o
torque resultante de “X” não será mais suficiente para manter a velocidade em 60

22
km/h, uma vez que haverá perturbações no sistema (a desaceleração gerada pela
força gravitacional) (figura 23).

Figura 23 – Representação do sistema de controle citado (malha aberta)

E essa é justamente a principal desvantagem de um sistema em malha aberta.

Como não há o monitoramento da saída, em caso de interferências externas, o
resultado do sistema muito provavelmente não corresponderá às expectativas.

Ainda assim, a malha aberta é muito utilizada por ser de fácil implementação e
de baixo custo. Já a malha fechada faz uso de sensores para estabelecer a
realimentação e tornar o sistema mais responsivo, possuindo aquilo que é conhecido
por “tomada de decisão”.

Novamente no exemplo do veículo, supondo que agora que há um sensor que

irá verificar em tempo real a velocidade de saída do automóvel. Assim, por meio dessa
informação, o sistema que controla a velocidade do carro saberá que, ao subir uma
ladeira, o torque impresso pela entrada “X” não está mais sendo suficiente para
manter a velocidade constante em 60 km/h.

Então, ele deverá aumentá-lo até que a velocidade desejada seja obtida (figura
24). Ou seja, independente de perturbações externas, a saída sempre rastreará à
referência e irá realizar as correções para que o valor da variável de processo (PV)
sempre esteja em valores equivalentes ao aplicado no setpoint (SP).

23
 Figura 24 – Representação do sistema de controle citado (malha fechada)

Portanto, pode-se concluir que para diferentes aplicações e objetivos, as

teorias básicas que envolvem o controle de sistemas podem ser aplicadas de modo a
obter diferentes resultados. Em tese, são as especificações do projeto a ser
desenvolvido que definirão a melhor forma de implementá-lo.

Ainda assim, esses são apenas conceitos básicos, os quais podem ser
explorados de forma mais aprofundada. Por exemplo, inserindo um controlador nesse
sistema, como um circuito amplificador, é possível manipular outras variáveis, a
exemplo do tempo de resposta.

24
6 Exercícios

NOTA: Esta lista de exercícios faz parte da avaliação da disciplina, deve ser entregue
ao professor.

1) Qual foi a principal razão da descoberta e aprimoramento do “controle automático”

nos ambientes industriais? Explicar resumidamente o ciclo de controle dos processos
industriais.

2) Citar algumas vantagens de se realizar o controle automático de processos na

indústria.

3) Sobre o controle automático dos processos, como o mesmo pode ser definido?
Quais as principais grandezas que serão monitoradas e controladas no chão de
fábrica?

4) Quais são os principais termos envolvidos nas malhas de controle de processos

industriais? Na sua opinião, eles funcionam de maneira individual ou se sempre
relacionando, exercendo influência uns sobre os outros?

5) Classifique a afirmação em verdadeira ou falsa e justifique: “Os termos presentes

nas malhas de controle industriais, como exemplo o “setpoint (SP)” e a “variável de
processo (PV)” possuem aplicações específicas para determinadas grandezas, como
exemplo a temperatura e a pressão. As malhas de controle de vazão e velocidade por
exemplo, nunca se utilizam de um setpoint para referência do sistema de controle”.

6) Nas malhas de controle de processos, o que você entende por “setpoint” do

sistema? Ele pode ser considerado um “ponto de partida” para o monitoramento das
grandezas?

7) Classifique a afirmação em verdadeira ou falsa e justifique: “Para a determinação do

setpoint de uma temperatura, ou de uma vazão por exemplo, podem ser utilizados na
prática sinais elétricos aleatórios de tensão e corrente, com amplitudes variadas. Isto
é, posso aplicar como setpoint um sinal de tensão de -13V a 20V e também um sinal
de corrente de 2 a 29mA caso achar necessário”.

8) Qual é a principal função dos “controladores” nas malhas de controle? Pode-se

afirmar que para cada tipo de malha existirá um tipo diferente de controlador ou serão
comuns independentemente da grandeza que está sendo medida e monitorada?

25
9) Pode-se afirmar com toda certeza que a “variável manipulada (MV)” pode afetar o
comportamento da planta controlada (caso o controlador do sistema provoque uma
alteração no valor de sua amplitude)? Justificar a sua resposta.

10) Os atuadores são partes muito importantes das plantas de controle industrial, onde
influenciam e exercem função sobre as variáveis de processo (PV). Quais os principais
tipos de atuadores que existem na prática?

11) Em sua opinião, como podem ser diferenciados o setpoint (SP) de uma malha de
controle e sua variável de processo (PV)? Pode-se afirmar que a função da PV é
tentar “acompanhar” o SP?

12) Classifique a afirmação em verdadeira ou falsa e justifique: “Estudando os

sistemas de controle em malha aberta de uma empresa, um técnico em automação
concluiu que seria necessário realizar a substituição dos sensores de algumas delas,
pois a medição estava fora da precisão necessária, comprometendo a realimentação e
consequentemente o controle eficiente”.

13) Normalmente a realimentação realizada em sistema de controle em malha fechada

é chamada de “realimentação negativa”. Qual o motivo dela ser chamada dessa
forma?

14) Nos sistemas de controle industriais é comum a ocorrência do que se chama de

“distúrbio” ou “perturbação”. Como podem ser definidos estes termos?

15) Classifique a afirmação em verdadeira ou falsa e justifique: “A melhor definição de

erro em um sistema de controle seria relação de soma entre o sinal de referência ou
setpoint (SP) e a realimentação do sistema. Essa é a base para a estabilidade dos
sistemas de controle industriais”.

16) Na sua concepção, qual é a principal finalidade de um sistema de controle na

prática? Pode-se afirmar que estes são exclusivos para algum tipo de grandeza ou são
utilizados para todas elas em geral?

17) Citar quais são os elementos e variáveis envolvidas em um sistema de controle.

Explicar detalhadamente dois deles.

18) Explicar como seria um sistema de controle em malha aberta (desenhar os

elementos do mesmo).

19) Explicar como seria um sistema de controle em malha fechadaa (desenhar os

elementos do mesmo).

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20) Citar dois exemplos do cotidiano de sistema de malha aberta e também dois
exemplos do cotidiano de sistemas de malha fechada.

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