Exercícios: Sensores, controladores e atuadores

Nomeie os três elementos básicos de um sistema de controle e explique o que cada um faz usando o exemplo do termostato de um aquecedor.

Classifique estes componentes em sensores, atuadores e controlador: um sensor de luz (LDR), um motor, uma campainha, uma placa microcontroladora, um botão e um servomotor. Justifique cada classificação com o que o componente faz.

A figura mostra a cadeia de um sistema de controle, mas falta o bloco central. Indique qual bloco é, o que faz e escreva a cadeia completa (com exemplos concretos de cada bloco) para um portão automático de garagem.

Classifique estes elementos em sensores ou atuadores e justifique cada decisão: microfone, alto-falante, câmera, lâmpada, sensor de movimento e relé que liga um motor.

Explique o que faz uma placa microcontroladora dentro de um sistema de controle usando a comparação com o «cérebro»: o que chega a ela, o que faz com isso e o que ordena.

Escolha um sistema de controle da sua casa (aquecimento, luz de escada automática, detector de fumaça com aviso...) e complete sua cadeia: sensor → controlador → atuador.

Qual é a diferença entre um sensor de temperatura e um termostato completo? Explique que elementos faltam ao primeiro para ser um sistema de controle.

Um sistema de irrigação dispõe de um sensor de umidade do solo e uma válvula solenoide. Que elemento falta para que funcione de forma automática e que regra simples executaria?

Um vaso inteligente rega a planta quando a terra está seca. Identifique o sensor, o controlador e o atuador desse sistema e explique que informação passa de um elemento a outro.

Um ventilador comum funciona até que você o desligue, mas um ar-condicionado para e liga sozinho para manter a temperatura. Explique que diferença há entre os dois sistemas usando a ideia de realimentação: qual deles volta a medir o resultado da sua atuação.

Um semáforo funciona com tempos fixos, passem carros ou não. Esse sistema de controle tem sensores? Que sensor você acrescentaria para torná-lo «inteligente» e o que melhoraria com essa mudança?

Um robô seguidor de linha usa dois sensores infravermelhos colocados nos dois lados da linha. Explique que informação cada sensor fornece e como o controlador decide se deve virar à esquerda ou à direita.

Explique a diferença entre um atuador «liga/desliga» (por exemplo, um relé) e um proporcional (por exemplo, um servomotor), e dê um uso adequado para cada tipo.

Um estacionamento conta os carros com um sensor na entrada e outro na saída. Projete a lógica do controlador para saber quantas vagas restam livres e o que o painel da entrada deve mostrar quando lota.

A figura mostra um sistema de controle com realimentação, com o ponto de comparação marcado com ?. Explique quais dois valores são comparados nesse ponto, que resultado se obtém e para que o controlador o usa.

Um termostato mede $2\ ^\circ\text{C}$ a mais por estar descalibrado. Explique por que o controlador «acredita» estar fazendo seu trabalho perfeitamente enquanto o ambiente fica mais frio do que o desejado, e que consequência isso tem para a manutenção dos sensores.

Analise a cadeia de controle completa de uma faixa de pedestres com botão: o que detecta, o que decide e o que atua em cada momento, e explique o que ocorre se o sensor do botão falhar e que comportamento seguro o sistema deveria ter.

Projete um sistema que mantenha uma estufa escolar entre $18\ ^\circ\text{C}$ e $25\ ^\circ\text{C}$: escolha os sensores e os atuadores e descreva com regras claras (se..., então...) as decisões do controlador.

Um colega de turma afirma: «Para saber com total segurança se o portão de uma garagem chegou ao fim do curso ao fechar, é muito melhor usar um fotorresistor (LDR) do que uma chave fim de curso mecânica, porque, sendo analógico, nos dá infinitos valores e muito mais informação do que um simples sensor digital liga/desliga».

1. a) Refute tecnicamente essa afirmação: explique dois problemas reais de funcionamento ou confiabilidade que o LDR causaria nessa tarefa em comparação com a chave fim de curso.
2. b) Justifique por que o sensor digital é superior nesse caso específico, apesar de fornecer menos dados.
3. c) Projete uma função no mesmo portão automático em que o uso do LDR seja a opção adequada e a chave fim de curso seja inútil.

Projete uma faixa de pedestres inteligente que alongue o tempo no verde se detectar que ainda há pessoas atravessando devagar. Indique sensores, regras de decisão e atuadores, e discuta um risco ou abuso possível do sistema.

Uma estufa dispõe de aquecedor, ventilador e janela motorizada. Priorize os três atuadores por consumo e segurança e escreva as regras de decisão do controlador para as leituras de $15\ ^\circ\text{C}$, $22\ ^\circ\text{C}$ e $30\ ^\circ\text{C}$.

Para refrigerar um armário de servidores, testa-se um controle por limiar (liga/desliga): quando a temperatura supera $25,0\ ^\circ\text{C}$, o ventilador liga a $100\ \%$; se baixar de $24,9\ ^\circ\text{C}$, desliga de uma vez.

1. a) Preveja as consequências negativas desse sistema sobre a temperatura da sala e sobre a vida útil do ventilador (efeito de comutação contínua e desgaste mecânico).
2. b) Projete uma alternativa de controle proporcional linear entre $20,0\ ^\circ\text{C}$ (ventilador a $0\ \%$) e $30,0\ ^\circ\text{C}$ (ventilador a $100\ \%$). Calcule a que porcentagem de potência o ventilador funcionará se a temperatura estiver em $26,5\ ^\circ\text{C}$.
3. c) Justifique por que esse controle proporcional melhora a estabilidade térmica e a eficiência em relação ao controle por limiar.

Analise o sistema de controle de um semáforo com câmeras que dá prioridade ao ônibus urbano: o que detecta, o que decide e o que atua em cada caso, e o que deveria ocorrer se uma ambulância em emergência se aproximar.

Um sensor de distância por ultrassom falha com tecidos e com superfícies em ângulo. Explique o que isso implica para um robô que «confia» cegamente nele e proponha uma solução de redundância (combinar sensores ou verificações).