Sistemas de Controlo

Código:

M.EM004

Sigla:

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Automação

Ocorrência: 2021/2022 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Secção de Automação, Instrumentação e Controlo
Curso/CE Responsável:	Mestrado em Engenharia Mecânica

Ciclos de Estudo/Cursos

Sigla	Nº de Estudantes	Plano de Estudos	Anos Curriculares	Créditos UCN	Créditos ECTS	Horas de Contacto	Horas Totais
M.EM	120	Plano de Estudos Oficial	1	-	6	39	162
M.EM	120	Plano de Estudos Oficial	2	-	6	39	162

Língua de trabalho

Inglês
Obs.: As aulas serão leccionadas em Inglês caso existam estudantes estrangeiros

Objetivos

ENQUADRAMENTO

A evolução da Engenharia Mecânica nas últimas décadas tem sido fortemente influenciada por desenvolvimentos nas áreas da Ciência dos Materiais, da Ciência da Computação, da Automação e Sistemas de Controlo. A associação de novos materiais, novas metodologias de projeto e algoritmos de controlo sofisticados têm levado à produção de sistemas com capacidades e funcionalidades acrescidas. Este incremento de complexidade tem sido acompanhado por aumentos na usabilidade e diminuição de custos, tanto de investimento como de utilização. Existem numerosos exemplos com impacto social relevante: meios de transporte, sistemas de queima, sistemas AVAC, sistemas robóticos e muitos produtos correntes, todos com acréscimo do seu desempenho e eficiência energética.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Procura-se proporcionar aos futuros engenheiros mecânicos um conjunto de conhecimentos nucleares e estruturantes na área dos sistemas de controlo automático, capacitando-os para: modelar sistemas dinâmicos transdisciplinares; projetar e implementar sistemas de controlo;

Resultados de aprendizagem e competências

Espera-se que no final do período lectivo os alunos consigam:
i) elaborar modelos matemáticos de parâmetros concentrados de sistemas dinâmicos, utilizando sistemas de equações diferenciais ordinárias;
ii) analisar e elaborar diagramas de blocos e diagramas de simulação de sistemas dinâmicos lineares;
iii) realizar a análise das respostas temporal e em frequência de sistemas dinâmicos lineares;
iv) projectar controladores clássicos que permitam cumprir especificações de desempenho;

Modo de trabalho

Presencial

Programa

1    Introdução aos Sistemas de Controlo Automático.
1.1    Sistemas de Controlo Automático: Enquadramento histórico; Conceitos e definições elementares; Perturbações, incertezas e a reacção ao erro; Estrutura de um sistema realimentado.
1.2    Sistemas de Regulação e Servomecanismos.

2    Modelação Matemática de Sistemas Dinâmicos.
2.1    Modelos de Parâmetros Concentrados: Modelos de sistemas mecânicos, eléctricos, térmicos, hidráulicos e electromecânicos; Modelos locais versus modelos globais; Linearização tangente em torno de um ponto de equilíbrio.
2.2    Transformada de Laplace: Transformada de um sinal; Sinais padrão e suas transformadas; Função de transferência de um sistema; Cálculo da resposta transitória.
2.3    Representação Esquemática de Sistemas Dinâmicos: Diagramas de blocos; Obtenção da função de transferência global; Diagramas de simulação.
2.4    Introdução à Simulação de Sistemas Dinâmicos com Matlab/Simulink.

3    Resposta Temporal de Sistemas Dinâmicos.
3.1    Resposta Transitória de Sistemas Dinâmicos: Sistemas de 1ª ordem; Sistemas de 2ª ordem; Relação entre a posição dos pólos e dos zeros da função de transferência no plano de Laplace e a resposta temporal; Estabilidade; Sistemas de ordem superior; Pólos dominantes.
3.2    Métricas de Desempenho Temporal: Resposta ao degrau; Erros em regime permanente.

4    Introdução ao Projecto de Controladores.
4.1    Acções de Controlo Elementares P, I e D.
4.2    Controladores PID: Estrutura PID; Estruturas PI-D e I-PD.
4.3    Selecção e Ajuste do Controlador: Cumprindo condições de erro em regime permanente e de resposta transitória; A influência das perturbações externas.

5    Resposta em Frequência de Sistemas Dinâmicos.
5.1    Resposta em Frequência de um Sistema: Conceito e definição; Relação entre resposta em frequência e função de transferência.
5.2    Representação Gráfica da Resposta em Frequência: Diagramas polares; Diagramas de Bode.
5.3    Critério de Estabilidade de Nyquist.
5.4    Estabilidade Relativa: Margens de ganho e de fase; Robustez.

6    Síntese de Controladores no Domínio das Frequências.
6.1    Especificação do Desempenho Através da Resposta em Frequência: Relações entre as respostas em frequência e temporal de um sistema; Relações entre a resposta em frequência de um sistema em malha aberta e a sua resposta temporal em malha fechada; Relações entre a resposta em frequência de um sistema em malha aberta e as constantes de erro estático.
6.2    Projecto de Compensadores: Tipos de compensadores e sua escolha; Dimensionamento de compensadores de atraso de fase; Dimensionamento de compensadores de avanço de fase; Dimensionamento de compensadores de atraso-avanço de fase; Relações com os controladores da família PID.

7    Métodos Heurísticos de Ajuste de Controladores PID.
7.1    Métodos de Ziegler-Nichols: Primeiro método de Ziegler-Nichols, em malha aberta; Segundo método de Ziegler-Nichols, em malha fechada.
7.2    Procedimentos para o Ajuste Experimental de Controladores em Servomecanismos Electromecânicos.
7.3    Saturação do atuador e a sua influência na ação integral.

8    Implementação de Controladores.
8.1    Implementação Utilizando Amplificadores Operacionais.
8.2    Implementação em tempo discreto usando aproximações numéricas.
8.3    Escolha da frequência de amostragem: o Teorema da Amostragem.

Bibliografia Obrigatória

Katsuhiko Ogata; Modern control engineering. ISBN: 0-13-261389-1
John Van de Vegte; Feedback control systems. ISBN: 0-13-016379-1
Katsuhiko Ogata ; Traduçao Paulo Alvaro Maya; Engenharia de controle moderno. ISBN: 85-87918-23-0

Bibliografia Complementar

J. L. Martins de Carvalho; Dynamical systems and automatic control. ISBN: 0-13-221755-4
J. L. Martins de Carvalho; Sistemas de controle automático. ISBN: 85-216-1210-9
Benjamin C. Kuo; Automatic control systems. ISBN: 0-471-36608-0
Benjamin C. Kuo; Sistemas de control automático. ISBN: 968-880-723-0
John J. D.Azzo, Constantine H. Houpis; Linear control system analysis and design. ISBN: 0-07-066251-7

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

AULAS TEÓRICO-PRÁTICAS

Exposição dos temas tratados na UC;
Apresentação e discussão de alguns exemplos.

Exercicios de modelação de sistemas dinâmicos de várias naturezas;
Exercícios de projeto de sistemas de controlo.

Software

Matlab
Simulink

Palavras Chave

Ciências Tecnológicas > Engenharia > Engenharia de sistemas > Teoria de sistemas
Ciências Tecnológicas > Engenharia > Engenharia de controlo
Ciências Tecnológicas > Engenharia > Engenharia mecânica
Ciências Tecnológicas > Engenharia > Engenharia de processos > Controlo de processos