Introdução ao Controle de Processos - Exercícios do tema 1
Considere o processo de controle de temperatura de um ambiente, considerando todas as possibilidades reais, isto é, dias frios e quentes, abertura de janelas e portas, número de ocupantes, ventilação, etc.
Desenhe um esquema do sistema. Pense em sensores e atuadores que poderiam ser usados.
Desenhe um diagrama de blocos do sistema e identifique as variáveis envolvidas, pense em diversas alternativas.
Analise os possíveis objetivos de controle que podem ser alcançados.
Pense em uma estrutura de controle, desenhe um diagrama.
Passo 1
O enunciado pede que a gente modele um sistema de controle de temperatura de um ambiente real (salas, escritórios etc.), levando em conta variáveis como dias frios/quentes, abertura de janelas, número de pessoas, ventilação etc. Vamos desenhar um esquema do sistema identificando sensores e atuadores, depois um diagrama de blocos com as variáveis de processo (controle, manipuladas, perturbações), analisar objetivos de controle e, por fim, propor uma estrutura de malha de controle.
Passo 2
Esquema físico do sistema
Imagine a sala cujo comportamento térmico depende de trocas de calor com o exterior e de fontes internas. Para monitorar usamos um sensor de temperatura, um sensor de fluxo de ar e um sensor de ocupação. Como atuadores podemos ter:
Um aparelho de ar condicionado reversível (aquecimento/refrigeração) com potência ajustável.
Janelas motorizadas para controle de ventilação natural.
Ventilador ou sistema de exaustão para circulação do ar.
Passo 3
Diagrama de blocos simplificado e identificação de variáveis
O processo térmico da sala é um bloco “Dinâmica Ambiente” cujo estado principal é a temperatura interna T. De fora chegam distúrbios como temperatura externa T_{\rm ext}, radiação solar I_{\rm sol} e carga interna de calor por ocupantes Q_{\rm occ}. Do lado dos atuadores, entram as variáveis manipuladas:
O sensor fornece a medida \hat T, que alimenta o controlador.
Passo 4
Objetivos de controle
O principal objetivo é manter a temperatura interna T em torno de um valor de referência T_{\rm ref} para conforto, com mínima energia. Isso implica: 1. Regulagem rápida de T quando T_{\rm ext} ou Q_{\rm occ} mudam. 2. Minimização do consumo de Q_{\rm heat/cool}. 3. Uso coordenado de ventilação natural (A_{\rm janela}) e forçada (V_{\rm fan}). 4. Respeitar limites de segurança (por ex.\ não gerar sobreaquecimento).
Passo 5
Proposta de estrutura de controle
Podemos usar uma malha de realimentação em cascata com feedforward:
O controlador principal (PID de temperatura) gera u_1 e um conjunto de referências para um controlador secundário de ventilação, que ajusta u_2 e u_3. Em paralelo, um bloco de feedforward usa a medida de T_{\rm ext} para antecipar ação em Q_{\rm heat/cool}. O fluxo de sinais é:
T \;\xleftarrow{\text{Processo}}\; (T_{\rm ext},Q_{\rm occ},u_1,u_2,u_3)
T \xrightarrow{\;\hat T\;} \text{Controlador PID} \quad T_{\rm ext} \xrightarrow{\;\text{feedforward}\;} u_1
Resposta
Esquema físico: sala com sensor de temperatura, sensor de fluxo e sensor de ocupação; atuadores ar-condicionado reversível, janelas motorizadas e ventilador.
Diagrama de blocos: dinâmica da sala recebe u_1=Q_{\rm heat/cool}, u_2=A_{\rm janela}, u_3=V_{\rm fan} e perturbações T_{\rm ext},I_{\rm sol},Q_{\rm occ}; sensor mede \hat T.
Objetivos: manter T\approx T_{\rm ref}, reagir a distúrbios, minimizar energia e coordenar ventilação.
Estrutura de controle: PID de temperatura em malha fechada com cascata para ventilação e ação de feedforward a partir de T_{\rm ext}.