Sistemas de Controlo

Código:

EM0041

Sigla:

SC

Áreas Científicas
Classificação	Área Científica
OFICIAL	Automação

Ocorrência: 2013/2014 - 1S

Ativa?	Sim
Unidade Responsável:	Secção de Automação, Instrumentação e Controlo
Curso/CE Responsável:	Mestrado Integrado 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
MIEM	161	Plano de estudos oficial a partir de 2006/07	4	-	6	45,5	162

Língua de trabalho

Português - Suitable for English-speaking students

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

A presente UC é a única na área dos sistemas de controlo obrigatória para todos os estudantes de engenharia mecânica. Todos os futuros engenheiros mecânicos deverão ser capazes de modelar, analisar, projetar a simular sistemas de controlo automático. Assim, 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 por computador; utilizar ferramentas informáticas de Projeto Assistido por Computador de 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;
v) utilizar ferramentas de Computer-Aided Control System Design na simulação e projecto de sistemas de controlo;
vi) elaborar os algoritmos numéricos necessários à implementação em computador dos controladores projectados.

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    Representação em Espaço de Estados: Conceito de estado; Formas canónicas; Relação entre a Função de Transferência e a representação em Espaço de Estados.
2.5    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    Implementação Utilizando Amplificadores Operacionais.

8    Introdução aos Sistemas de Controlo em Tempo Discreto.
8.1    Estrutura de um Sistema de Controlo em Tempo Discreto.
8.2    Amostragem de Sinais: Espectro de um sinal amostrado; Reconstrução de sinais amostrados; Escolha da frequência de amostragem.
8.3    Implementação de Controladores PID Utilizando Aproximações por Diferenças Finitas.
8.4    Transformada z: Transformada z de um sinal amostrado; Função de transferência de um sistema amostrado; Mapeamento entre os espaços s e z; Estabilidade de um sistema amostrado.
8.5    Síntese de Controladores em Tempo Discreto: Discretização aproximada de controladores contínuos utilizando a transformação bilinear ou de Tustin; Síntese de controladores no domínio das pseudo frequências utilizando a transformação w.

Esta UC apresenta uma componente científica (establece e desenvolve bases científicas) de 70% e uma componente tecnológica (aplicável ao projeto e à operação de processos) de 30%.

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
Karl J. Astrõm, Bjõrn Wittenmark; Computer-controlled systems. ISBN: 0-13-314899-8
Gene F. Franklin, J. David Powell, Michael L. Workman; Digital control of dynamic systems. ISBN: 0-201-33153-5
Herbert E. Merritt; Hydraulic control systems

Métodos de ensino e atividades de aprendizagem

AULAS TEÓRICAS

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

AULAS PRÁTICAS

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

TRABALHO PRÁTICO

Trabalho computacional de modelação e simulação em Matlab/Simulink de um sistema dinâmico.

Software

Matlab
Simulink

Palavras Chave

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

Tipo de avaliação

Avaliação distribuída com exame final

Componentes de Avaliação

Designação	Peso (%)
Exame	70,00
Trabalho escrito	30,00
Total:	100,00

Componentes de Ocupação

Designação	Tempo (Horas)
Elaboração de relatório/dissertação/tese	26,00
Estudo autónomo	91,00
Frequência das aulas	45,50
Total:	162,50

Obtenção de frequência

Não exceder o nº limite de faltas e obter uma classificação de mínima de 9 valores no Relatório Escrito sobre um trabalho computacional de modelação e simulação em Matlab/Simulink de um sistema dinâmico.

Fórmula de cálculo da classificação final

Classificação no Relatório: CR;
Classificação no Exame final: CE;
Classificação Final: CF;
CF=0,3 CR + 0,7 CE

Provas e trabalhos especiais

Relatório Escrito sobre um trabalho computacional de modelação e simulação em Matlab/Simulink de um sistema dinâmico.
Este trabalho, e o respectivo Relatório, será realizado em grupo. Cada grupo deverá ser constituído por 6 alunos.

 

Avaliação especial (TE, DA, ...)

Para além do exame final, o aluno será chamado a realizar um trabalho especial, idêntico ao trabalho computacional exigido aos alunos ordinários.

Melhoria de classificação

O aluno poderá escolher entre a melhoria da classificação da componente distribuída, caso em que terá de elaborar novo relatório, da componente correspondente ao exame final, caso em que terá de realizar novo exame final, ou das duas componentes, caso em que terá de elaborar novo relatório e realizar novo exame final.

Observações

O Exame final é uma prova escrita a realizar na Época Normal ou na Época de Recurso. Incide sobre todos os conteúdos programáticos da unidade curricular com a excepção dos pontos 2.1, Modelos de Parâmetros Concentrados, e 2.5, Introdução à Simulação de Sistemas Dinâmicos com Matlab/Simulink.
Não há lugar a recurso da componente distribuída da avaliação (CR).