Exercícios: Os sistemas de controlo

Explique o que é um sistema de controle usando a porta automática do supermercado: o que detecta, o que decide e o que faz, e por que dizemos que funciona «sem que ninguém aperte um interruptor».

Todo sistema de controle tem três partes: entradas, unidade de controle e saídas. Explique o que cada uma faz e dê um exemplo das três em um ventilador com controle remoto.

A figura mostra a cadeia geral de um sistema de controle, com o seu elo central tapado.

Nomeie o elo que falta, explique o que ele faz com a informação que chega das entradas e descreva um sistema de controle completo da sua vida diária, identificando as suas três partes.

Indique que grandeza cada um destes sensores de entrada mede: um sensor de movimento, um LDR, um termômetro e um botão, e indique um aparelho da sua casa que use cada um deles.

Indique o que faz cada um destes atuadores de saída: um motor, uma lâmpada, uma cigarra (buzzer) e o eletroímã de uma fechadura, e descreva uma situação em que o mesmo sistema precise de dois deles simultaneamente.

Compare uma torneira que você abre e fecha manualmente com o termostato do aquecimento. Explique qual dos dois verifica o resultado da sua atuação (se a casa já está quente) e o que significa esse sistema «corrigir-se sozinho».

A figura mostra dois diagramas de blocos de sistemas de controle, A e B. Só um deles devolve informação da saída para a entrada. No tipo B, o círculo é um ponto que compara a entrada com o que chega pelo caminho marcado com ?.

1. a) Diga qual dos dois sistemas é de malha aberta e qual é de malha fechada.

1. b) Nomeie o que viaja pelo caminho marcado com ?.

1. c) Dê um exemplo cotidiano de cada tipo de malha.

Indique se são verdadeiras ou falsas estas afirmações e justifique cada resposta: (a) um semáforo que muda apenas por tempo é um sistema em malha fechada; (b) a máquina de lavar roupa mede a água e a temperatura, de modo que tem realimentação; (c) num sistema em malha fechada o sistema verifica o que alcançou; (d) um ventilador sem sensor corrige sozinho a temperatura do cômodo.

A figura mostra o diagrama de blocos do controle de temperatura de uma casa.

O elemento tampado compara o que se deseja com o que existe. Explique que dois dados ele compara, que ordem envia para a caldeira quando a casa está $19\celsius$ e quando está $23\celsius$, e por que razão este sistema é de malha fechada.

Analise a máquina de lavar roupa como sistema de controle: indique duas entradas (nível de água, temperatura, tempo), a unidade de controle (o seu programa) e duas saídas (motor do tambor, resistência, eletroválvula). Justifique por que razão é um sistema em malha fechada, mesmo que você não a veja «pensar».

Um semáforo clássico muda por tempo, sem saber se há carros esperando. Explique por que razão é um sistema em malha aberta, o que acontece em um engarrafamento ou de madrugada e que sensores você acrescentaria para aproximá-lo de um sistema em malha fechada, descrevendo a alteração de comportamento.

Classifique estes quatro aparelhos em malha aberta ou malha fechada e justifique cada um: uma torradeira com temporizador, um ferro de passar com termostato, um ventilador ligado por uma pessoa e um ar-condicionado com temperatura definida.

Desenhe (descrevendo bloco a bloco) o diagrama de um portão de garagem automático: que entrada o ativa (comando ou sensor), o que faz a unidade de controle, que saída move o portão e que sensor de segurança impede que ele feche se houver algo embaixo. É de malha aberta ou fechada em cada uma das suas duas funções?

Você pode fazer isso no papel e enviar uma foto com a sua resposta.

Desafio do tema. Quando você regula a temperatura do chuveiro, você mesmo funciona como um ciclo de controle. Analise esse processo e responda:

1. a) Identifique o sensor: que parte do seu corpo detecta a temperatura da água.

1. b) Identifique a referência: que valor ou referência você quer alcançar.

1. c) Identifique o atuador: que parte do seu corpo modifica a água que sai.

1. d) Identifique a realimentação: o que você faz depois de atuar para comprovar o resultado e decidir se deve corrigir outra vez.

1. e) Explique o que acontece quando alguém abre outra torneira da casa enquanto você toma banho (por exemplo, muda a temperatura ou a vazão da água) e como o ciclo de controle reage para corrigir isso.

Será avaliado: que você identifique corretamente cada elemento do ciclo, que o relacione com o chuveiro e que, no item e), explique a perturbação e a correção que você faz.

Na campainha de uma casa, o botão e a campainha desempenham papéis diferentes. Classifique cada um como entrada ou saída, explique por que a campainha não é um sistema com retroalimentação e o que a transformaria em um (por exemplo, uma luz que confirma ao visitante que a campainha tocou).

Os automatismos proporcionam segurança, comodidade e economia. Dê um exemplo real de cada vantagem (um portão que se abre sozinho, a iluminação automática de escadas, a irrigação gota a gota programada) e explique, em um deles, o que aconteceria se o sistema falhasse no pior momento.

Um agricultor afirma: «Programei um temporizador para que os aspersores reguem todos os dias às 7:00 durante 20 minutos; como funciona de forma autônoma sem que eu intervenha, é um sistema automático de malha fechada perfeito».

1. a) Refute a afirmação dele explicando por que o sistema é, na realidade, de malha aberta e quais dois problemas graves de eficiência hídrica ou saúde vegetal ele provocará ao longo do ano.
2. b) Redesenhe o sistema para convertê-lo em um sistema de malha fechada: desenhe o diagrama de blocos identificando claramente o valor de referência (consigna), o sinal medido, o sensor necessário, o controlador, o atuador e o processo.
3. c) Preveja e justifique como cada um dos dois sistemas reagirá se cair uma tempestade imprevista de 30 l/m² exatamente às 6:55.

Num condomínio, a iluminação da escada é controlada por um temporizador de escada: ao apertar um botão em qualquer andar, as luzes permanecem acesas exatamente 90 segundos.

1. a) Justifique, a partir da teoria de sistemas de controle, por que este temporizador atua em malha aberta e por que se torna ineficiente diante de situações reais opostas (um vizinho que demora 3 minutos para subir com sacolas pesadas em comparação com outro que desce em 15 segundos).
2. b) Desenhe uma solução com retroalimentação (realimentação) que resolva ambos os problemas. Especifique que sensor ou combinação de sensores você utilizaria, em que locais estratégicos os colocaria para evitar «zonas cegas» e qual seria a lógica de desligamento.
3. c) Preveja que falha poderia ocorrer no seu projeto se uma pessoa permanecer totalmente imóvel no patamar procurando as chaves no escuro, e proponha como você programaria o controlador para evitar que ela fique sem luz.

O folheto comercial de um cronotermostato digital afirma: «Substitua o seu antigo termostato analógico de roda por este modelo programável: ao incorporar programação horária e semanal, a sua caldeira passará de ser um sistema de malha aberta a um de malha fechada, conseguindo até 30 % de economia».

1. a) Avalie criticamente a afirmação técnica do folheto: é verdade que um termostato clássico de roda funciona em malha aberta? Justifique se a mudança de aparelho modifica a topologia da malha ou se apenas adiciona novas variáveis ao valor de referência (setpoint).
2. b) Desenhe o diagrama de blocos do sistema com cronotermostato, indicando todas as entradas que a unidade de controle processa (físicas e de programação), o comparador, o atuador e a realimentação.
3. c) Justifique detalhadamente por qual mecanismo de controle o cronotermostato consegue reduzir o consumo de energia durante um dia em que a residência permanece vazia das 8:00 às 17:00.

Em uma avenida foi instalado um semáforo para pedestres com botão de pressão. Um estudante de Tecnologia afirma: «Como o semáforo tem um botão de pressão através do qual recebe informação do ambiente para mudar para vermelho, trata-se de um sistema de malha fechada».

1. a) Refute de forma justificada a afirmação do estudante: explique a diferença fundamental entre um «sinal externo de ativação» e um «sinal de realimentação» neste cruzamento.
2. b) Desenhe o diagrama de blocos do semáforo atual identificando a entrada, o controlador e as saídas (tanto luminosas quanto sonoras).
3. c) Desenhe uma modificação técnica que transforme o cruzamento em um autêntico sistema de malha fechada capaz de adaptar a duração da fase verde para pedestres à velocidade real das pessoas que estão atravessando (por exemplo, idosos ou pessoas em cadeira de rodas). Que sensor você adicionaria, o que ele mediria e como variaria a temporização?

Você é encarregado de fazer o desenho lógico do sistema de controle que regula um cruzamento entre duas ruas perpendiculares (rua A e rua B), cada uma com o seu semáforo.

1. a) Modele o cruzamento como um único sistema de controle multivariável: explique por que não é admissível programar dois semáforos independentes com temporizadores desacoplados e qual condição lógica de bloqueio mútuo deve ser imposta entre as saídas.
2. b) Suponha que um sensor de corrente detecta que a lâmpada vermelha da rua A queimou. Analise o risco que isso acarreta e indique qual protocolo imediato a unidade de controle deve executar em ambas as ruas.
3. c) Justifique tecnicamente se, diante de uma falha grave da unidade de controle, é mais seguro que o circuito de hardware comute para amarelo intermitente em todas as direções ou para vermelho fixo em todas as direções, levando em conta a fluidez do trânsito e o Código de Trânsito Brasileiro.

Um artigo de divulgação afirma: «Qualquer dispositivo automático opera em malha fechada, uma vez que realiza o seu trabalho de forma autônoma sem que uma pessoa intervenha em cada ciclo».

1. a) Demonstre a falsidade dessa afirmação propondo dois exemplos de automatismos do cotidiano: um que funcione em malha aberta e outro em malha fechada. Justifique detalhadamente a classificação de cada um com base na presença ou ausência de retroação.
2. b) Para o sistema de malha aberta que você propôs, descreva uma perturbação externa concreta que provoque um funcionamento defeituoso ou um desperdício de energia.
3. c) Desenhe as modificações necessárias (sensores, grandeza física a medir e nova lógica de decisão) para transformar esse sistema de malha aberta em um de malha fechada capaz de corrigir essa perturbação.

Você deve conceber o sistema de controle bioclimático de uma estufa tecnificada onde se cultivam plantas sensíveis. O recinto precisa manter uma temperatura entre 20 °C e 24 °C e uma umidade relativa entre 60 % e 70 %.

1. a) Identifique os sensores necessários e os atuadores que você deve instalar para intervir sobre o ar e a ventilação do recinto.
2. b) Durante um meio-dia quente e muito seco de verão, a temperatura sobe para 31 °C e a umidade desce para 45 %. Explique o conflito operacional que surge se o ciclo de temperatura e o ciclo de umidade atuarem de forma desacoplada e simultânea.
3. c) Conceba a estratégia de controle (por meio de um fluxograma ou pseudocódigo com condições de prioridade) que o microcontrolador deve executar para resolver este conflito, garantindo a sobrevivência das plantas.

Um veículo circula por rodovia com o controle de velocidade de cruzeiro fixado em 120 km/h.

1. a) Desenhe o diagrama de blocos do sistema identificando: valor de referência (setpoint), sinal de erro, controlador, atuador, planta ou processo, grandeza de saída, sensor e caminho de realimentação.
2. b) Analise a resposta do sistema quando o carro enfrenta de forma imprevista uma inclinação ascendente de 7 %: descreva passo a passo como varia a grandeza medida, que cálculo o comparador realiza e como o atuador reage para compensar a perturbação.
3. c) Do ponto de vista da segurança de máquinas e sistemas de controle crítico, justifique por que qualquer pressão sobre o pedal do freio deve interromper o valor de referência de forma instantânea por interrupção física direta e não por meio de uma verificação rotineira do programa do microcontrolador.