Introdução aos Sistemas de Controle e sua História

O que é controle?

É a ação ou efeito de decidir sobre o desenvolvimento de um processo ou sistema. Também pode ser entendido como a forma de manipular certas variáveis para que elas, ou outras variáveis, atuem da forma desejada.

O que é controle de engenharia?

Trata-se de uma abordagem interdisciplinar para controlar sistemas e dispositivos. Combina áreas como elétrica, eletrônica, mecânica, química, engenharia de processo e teoria matemática, entre outras.

Subdisciplinas (por tipo de controle)

• Loop de controle de malha aberta: Regulagem de controle fechado (set-point) para manter o acompanhamento constante de trajetórias, com erro mínimo.

Subdisciplinas (por tipo de teoria)

• Controle Linear: Simples e de fácil aplicação.
• Controle Não Linear: Altamente eficaz para sistemas complexos.
• Controle Ótimo: Busca a melhor solução sob restrições.
• Controle Robusto: Focado em melhor desempenho sob perturbações.

Definições Fundamentais

• Sistema: Combinação de componentes que trabalham juntos para atingir um objetivo. Aplicável a fenômenos físicos, biológicos, econômicos e sociais.
• Variável controlada (saída): Quantidade ou condição medida e controlada.
• Variável manipulada: Variável modificada para afetar a variável controlada.
• Processo: Desenvolvimento natural de um evento, caracterizado por mudanças graduais, contínuas e progressivas rumo a um resultado.
• Planta: Conjunto de peças de máquinas projetadas para realizar uma atividade. Em sistemas de controle, é o sistema a ser controlado.
• Distúrbios: Eventos que afetam negativamente o desenvolvimento de um processo. Podem ser internos (gerados dentro do sistema) ou externos.
• Sistema de controle de malha aberta: Sistema onde a saída não tem efeito sobre a ação de controle.
• Controle de feedback: Operação que mantém uma relação prescrita comparando variáveis e utilizando a diferença como meio de controle.
• Sistema de controle com feedback: Sistema que utiliza a relação entre a variável de saída e uma variável de referência para controle.

História do Controle Automático

As primeiras aplicações datam de mecanismos de regulação com boia na Grécia antiga.

• Ktesibius (250 a.C.): Construiu o relógio de água, considerado o primeiro sistema de controle automático da história.
• Heron de Alexandria (100 d.C.): Publicou Pneumatica, descrevendo mecanismos de regulação de nível de água.
• Idade Moderna: Cornelis Drebbel (1572-1634) desenvolveu uma incubadora com feedback de temperatura e o primeiro submarino funcional (1620).
• Denis Papin (1681): Inventou o primeiro regulador de pressão para caldeiras a vapor.
• James Watt (1769): Desenvolveu o primeiro trabalho significativo em controle automático com o governador centrífugo.
• I. Polzunov (1765): Inventou um regulador de nível de água.
• J.C. Maxwell (1868): Estabeleceu a base matemática (equações diferenciais) para a teoria de controle, abordando estabilidade e linearização.
• Evans (Anos 40/50): Desenvolveu o método do lugar das raízes e métodos de resposta em frequência, pilares do controle clássico.

Avanços no Pós-Guerra

Houve uma rápida disseminação da teoria de controle russa e ocidental, com a criação de centros de pesquisa e maior foco em sistemas não lineares. A teoria moderna de controle baseia-se na análise e síntese no domínio do tempo, utilizando variáveis de estado.