Engenharia de Controle: O que é? (E sua História)

O que é Engenharia de Controle

Engenharia de sistemas de controle é o ramo da engenharia que lida com os princípios da teoria do controle, para projetar um sistema que produza o comportamento desejado de forma controlada. Portanto, embora a engenharia de controle seja frequentemente ensinada dentro da engenharia elétrica na universidade, é um tema interdisciplinar.

Os engenheiros de sistemas de controle analisam, projetam e otimizam sistemas complexos que consistem em uma coordenação altamente integrada de elementos mecânicos, elétricos, químicos, metalúrgicos, eletrônicos ou pneumáticos. Assim, a engenharia de controle lida com uma ampla gama de sistemas dinâmicos que incluem interface humana e tecnológica. Esses sistemas são amplamente referidos como sistemas de controle.

A engenharia de sistemas de controle se concentra na análise e no projeto de sistemas para melhorar a velocidade de resposta, a precisão e a estabilidade do sistema.

Os dois métodos de engenharia de controle incluem métodos clássicos e modernos. O modelo matemático do sistema é estabelecido como a primeira etapa, seguido por análise, design e teste. As condições necessárias para a estabilidade são verificadas e, finalmente, a otimização segue.

No método clássico, a modelagem matemática geralmente é feita no domínio do tempo, no domínio da frequência ou no domínio complexo. A resposta ao degrau de um sistema é modelada matematicamente na análise diferencial no domínio do tempo para encontrar seu tempo de acomodação, sobressinal, etc. As transformadas de Laplace são mais comumente usadas no domínio da frequência para encontrar o ganho em malha aberta, margem de fase, largura de banda, etc. do sistema. O conceito de função de transferência, critério de estabilidade de Nyquist, amostragem de dados, gráfico de Nyquist, polos e zeros, gráficos de Bode, atrasos do sistema, todos estão sob o guarda-chuva da corrente de engenharia de controle clássica.

A engenharia de controle moderna lida com sistemas de Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas (MIMO), abordagem do espaço de estados, valores próprios e vetores, etc. Em vez de transformar equações diferenciais ordinárias complexas, a abordagem moderna converte equações de ordem superior em equações diferenciais de primeira ordem e as resolve pelo método vetorial.

Sistemas de controle automático são mais comumente usados, pois não envolvem controle manual. A variável controlada é medida e comparada com um valor especificado para obter o resultado desejado. Como resultado dos sistemas automatizados para fins de controle, o custo de energia ou potência, bem como o custo do processo, será reduzido, aumentando sua qualidade e produtividade.

História dos Sistemas de Controle

A aplicação de sistemas de controle automático acredita-se estar em uso desde as civilizações antigas. Vários tipos de relógios de água foram projetados e implementados para medir o tempo com precisão a partir do terceiro século a.C., pelos gregos e árabes. Mas o primeiro sistema automático é considerado o Governador de Válvula de Bola de Watts em 1788, que iniciou a revolução industrial. A modelagem matemática do governador foi analisada por Maxwell em 1868. No século 19º, Leonhard Euler, Pierre Simon Laplace e Joseph Fourier desenvolveram diferentes métodos de modelagem matemática. O segundo sistema é considerado o Damper Flapper de Al Butz - um termostato em 1885. Ele fundou a empresa hoje chamada Honeywell.

O início do século 20º é conhecido como a idade de ouro da engenharia de controle. Durante esse período, os métodos clássicos de controle foram desenvolvidos no Bell Laboratory por Hendrik Wade Bode e Harry Nyquist. Controladores automáticos para direção de navios foram desenvolvidos por Minorsky, matemático russo-americano. Ele também introduziu o conceito de controle integral e derivativo na década de 1920. Enquanto isso, o conceito de estabilidade foi proposto por Nyquist e seguido por Evans. As transformadas foram aplicadas em sistemas de controle por Oliver Heaviside. Os métodos de controle modernos foram desenvolvidos após 1950 por Rudolf Kalman, para superar as limitações dos métodos clássicos. Os PLCs foram introduzidos em 1975.

Tipos de Engenharia de Controle

A engenharia de controle tem sua própria categorização dependendo das diferentes metodologias utilizadas. Os principais tipos de engenharia de controle incluem:

• Engenharia de Controle Clássica

• Engenharia de Controle Moderna

• Engenharia de Controle Robusta

• Engenharia de Controle Ótima

• Engenharia de Controle Adaptativa

• Engenharia de Controle Não Linear

• Teoria dos Jogos

Engenharia de Controle Clássica

Os sistemas geralmente são representados usando equações diferenciais ordinárias. Na engenharia de controle clássica, essas equações são transformadas e analisadas em um domínio transformado. Transformada de Laplace, transformada de Fourier e transformada z são exemplos. Este método é comumente usado em sistemas de Entrada Única e Saída Única (SISO).

Engenharia de Controle Moderna

Na engenharia de controle moderna, as equações diferenciais de ordem superior são convertidas em equações diferenciais de primeira ordem. Essas equações são resolvidas de maneira muito similar ao método vetorial. Ao fazer isso, muitas complicações lidadas na resolução de equações diferenciais de ordem superior são resolvidas.

Essas são aplicadas em sistemas de Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas, onde a análise no domínio da frequência não é possível. Não linearidades com múltiplas variáveis são resolvidas pela metodologia moderna. Vetores de espaço de estado, valores próprios e vetores próprios pertencem a esta categoria. As variáveis de estado descrevem as entradas, saídas e variáveis do sistema.

Engenharia de Controle Robusta

Na metodologia de controle robusto, as mudanças no desempenho do sistema com a mudança nos parâmetros são medidas para otimização. Isso ajuda a ampliar a estabilidade e o desempenho, além de encontrar soluções alternativas. Portanto, no controle robusto, o ambiente, imprecisões internas, ruídos e perturbações são considerados para reduzir o erro no sistema.

Engenharia de Controle Ótima

Na engenharia de controle ótima, o problema é formulado como um modelo matemático do processo, restrições físicas e de desempenho, para minimizar a função de custo. Assim, a engenharia de controle ótima é a solução mais viável para o projeto de um sistema com custo mínimo.

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