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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO Disciplina: Sistemas de Controle Código: 30-400 Carga Horária: 80h (Teórica: 60h) (Prática: 20h) Créditos: 04 Pré-Requisitos: 30-394
EMENTA Introdução ao controle de sistemas. Modelagem matemática de sistemas. Análise da resposta transitória de sistemas lineares. Estabilidade. Método do Lugar das Raízes. Métodos da Resposta em Frequência. Projeto de Sistemas de Controle. Controladores PID. Sistemas de Controle Digital.
OBJETIVOS A disciplina visa desenvolver habilidades na análise e projeto de sistemas de controle, a fim de que o acadêmico seja capaz de aplicar ferramentas matemáticas, computacionais e de simulação ao projeto de controladores clássicos às soluções da engenharia elétrica. Buscando-se atender essas competências, os seguintes objetivos são apresentados: - Analisar e projetar sistemas de controle em malha fechada e malha aberta, fundamentando-se em critérios de resposta transitória, no método do lugar das raízes e da resposta em frequência; - Compreender as diferenças entre feedback e feedfoward no controle aplicado; - Modelar sistemas dinâmicos lineares e invariantes no tempo, verificando e validando os modelos por meio de técnicas adequadas; - Representar sistemas dinâmicos na forma de equação diferencial, função de transferência e em espaço de estados; - Avaliar a estabilidade de sistemas de controle realimentados pelo critério de estabilidade de Routh-Hurwitz; - Compreender os elementos dos sistemas de controle analógico e digital em um contexto interdisciplinar aplicado a projetos de engenharia.
CONTEÚDOS CURRICULARES
UNIDADE DE ENSINO 01 – INTRODUÇÃO AO CONTROLE DE SISTEMAS Apresentar os conceitos fundamentais sobre os sistemas de controle, explanando sobre os elementos básicos de um sistema em malha aberta e malha fechada (controlador, atuador, planta ou processo, sensor, variável controlada, variável manipulada, sinal de comando, referência ou setpoint), o conceito de feedback e feedforwad, um breve histórico sobre o controle de sistemas e procedimentos básicos ao projeto de sistemas de controle.
Atividade Prática: Analisar e identificar os elementos básicos que constituem um sistema de controle.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 01.
UNIDADE DE ENSINO 02 – MODELAGEM MATEMÁTICA DE SISTEMAS Desenvolver conhecimentos sobre a modelagem de sistemas, associando as equações matemáticas que governam o comportamento dinâmico dos sistemas em estudo, de modo a possibilitar a representação na forma de função de transferência e no espaço de estados. Trabalhar a representação de sistemas de controle na forma de diagrama de blocos e diagrama de fluxo de sinais.
Atividade Prática: Modelagem matemática de sistemas dinâmicos com validação por intermédio de aplicativos computacionais e de simulação.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 02.
UNIDADE DE ENSINO 03 – ANÁLISE DA RESPOSTA TRANSITÓRIA DE SISTEMAS LINEARES Analisar a resposta transitória de sistemas lineares e invariantes no tempo de primeira, segunda e ordem superior, descrevendo as especificações da resposta transitória a sinais clássicos de teste. Conceituar e analisar sistemas que apresentam atraso de transporte (tempo morto).
Atividade Prática: Realização de experimentos em laboratório à análise da resposta transitória, de modo a permitir a modelagem matemática a partir dos dados coletados.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 03.
UNIDADE DE ENSINO 04 – ESTABILIDADE Apresentar os conceitos fundamentais acerca da estabilidade em sistemas de controle, sua relação ao plano s e a aplicação do critério de estabilidade de Routh-Hurwitz.
Atividade Prática: Atividades em laboratório à análise da estabilidade em sistemas de controle.
TDE 04 - Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 04.
UNIDADE DE ENSINO 05 – MÉTODO DO LUGAR DAS RAÍZES Contextualizar os conceitos e a aplicabilidade do método do lugar das raízes no projeto e análise de sistemas de controle, possibilitando a compreensão dos procedimentos à elaboração manual do lugar das raízes e a posterior validação computacional. Identificar questões de estabilidade e desempenho nos lugares geométricos das raízes da equação característica.
Atividade Prática: Análise e projeto básico de sistemas de controle por meio do método do lugar das raízes.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 05.
UNIDADE DE ENSINO 06 – MÉTODOS DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA Desenvolver os conhecimentos sobre o conceito da resposta em frequência associados aos diagramas de bode, de Nyquist e de Nichols, aprofundando aspectos sobre a margem de fase, margem de ganho, banda passante, características de funções de transferência de fase não mínima no diagrama de bode. Conceituar o critério de estabilidade de Nyquist.
Atividade Prática: Análise de um sistema de controle fundamentada na resposta em frequência a partir do diagrama de bode, de Nyquist e/ou de Nichols.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 06.
UNIDADE DE ENSINO 07 – PROJETO DE SISTEMAS DE CONTROLE Projetar sistemas de controle realimentados, a partir dos métodos discutidos nas unidades de ensino anteriores, com foco em controladores PID, evidenciando o impacto das ações de controle proporcional, integral e derivativa sobre os sistemas de controle. Apresentar métodos de sintonia padrão de controladores PID. Apresentar noções sobre os compensadores por avanço de fase, atraso de fase, e atraso e avanço de fase.
Atividade Prática: Atividades em laboratório sobre o projeto de controladores PID.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 07.
UNIDADE DE ENSINO 08 – SISTEMAS DE CONTROLE DIGITAL Desenvolver os conhecimentos fundamentais ao projeto e implementação do controle digital de sistemas amostrados, a partir da transformada Z e do método de Tustin, abordando questões da amostragem, quantização e equações de diferenças.
Atividade Prática: Atividade em laboratório visando a aplicação do controle digital.
TDE – Atividade conforme normatização envolvendo os conteúdos da Unidade de Ensino 08.
METODOLOGIA Visando desenvolver as competências apresentadas, as aulas serão desenvolvidas de forma variada e tem como metodologias: a tradicional (expositivo-dialogadas), a ativa e a sócio-interacionista. No intuito de desenvolver as competências específicas à disciplina, podem ser utilizados recursos de multimídia como projetores de imagem e vídeo, atividades em laboratório e ferramentas computacionais e de simulação. A contextualização se dará por meio da proposição de problemas reais. Os alunos irão elaborar Trabalhos Discentes Efetivos no total de 20h, podendo ser, conforme a necessidade, estudos de caso, lista de exercícios, solução dirigida de problemas de engenharia, montagem de protótipos e projetos de sistemas de controle em laboratório. Dentre as atividades a serem realizadas durante as 80 horas previstas nesta disciplina, constam 20 horas de atividades extensionistas.
AVALIAÇÃO A avaliação da disciplina se propõe a verificar se as competências propostas neste plano de ensino foram desenvolvidas pelo acadêmico, por meio dos seguintes instrumentos de avaliação: provas escritas, trabalhos, relatórios e Trabalhos Discentes Efetivos, estes últimos valendo 20% da média parcial. As avaliações serão realizadas ao longo do semestre e distribuídas uniformemente de acordo com o plano de ensino. Numa aula que antecede uma avaliação serão dadas orientações a respeito da sistemática a ser adotada e os conteúdos exigidos, bem como os critérios específicos da avaliação. No instrumento de avaliação haverá de forma explícita e por escrito quanto valerá cada questão.
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BIBLIOGRAFIA BÁSICA OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 5. ed. Rio de Janeiro: Pearson, 2012. DISTEFANO, J. J.; STUBBERUD, A. R.; WILLIAMS, I. J. Sistemas de Controle. 2. ed. São Paulo: Bookman, 2014. FRANKLIN, G. F.; POWELL, J. D.; EMAMI-NAENI, A. Sistemas de controle para engenharia. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, 2013.
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR BITTAR, A.; CASTRUCCI, P. L.; SALES, R. M. Controle automático. São Paulo: LTC, 2011. DORF, R. C. Sistemas de controle moderno. 12. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. GOLNARAGHI, F.; KUO, B. C. Sistemas de controle automático. 9. ed. São Paulo: LTC, 2012. NISE, N. S. Engenharia de sistema de controle. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014. OGATA, K. Discrete-time control systems. 2. ed. New Jersey: Prentice Hall, 1995.
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