Dominando Laços de Controle: Sistemas Abertos vs. Fechados Explicados

O laço de controle com feedback é provavelmente a ferramenta mais inovadora e confiável no campo da engenharia de controle. Laços de controle como um todo são ferramentas eficientes para determinar problemas e questões em um sistema, alcançar valores de ponto de ajuste em processos e manter a estabilidade de um sistema. Existem três tipos principais de sistemas de laço de controle: malha fechada, malha aberta e combinado aberto e fechado. Malha fechada depende mais pesadamente de feedback, enquanto malha aberta não. O combinado usa tanto feedback quanto feedforward para estabilizar um processo.

O diagrama a seguir ilustra todo o laço de controle com feedback:

Dividindo isso, obtemos:

1. O processo que deve ser controlado
2. Um sensor que mede o parâmetro físico do processo
3. Um transmissor que converte a informação sensorial via sinais eletrônicos
4. Um controlador que compara o sinal e o ponto de ajuste
5. Um atuador que realiza um esforço corretivo em resposta ao sinal enviado pelo controlador

Em um sistema de controle de malha fechada, a sequência é repetida até que o ponto de ajuste seja alcançado. Exemplos comuns são o termostato para temperatura de forno ou o controle de cruzeiro em um carro. Mas isso não significa que todas as operações automáticas requerem feedback para funcionar corretamente. Configurações de malha aberta, que assumem que a sequência é necessária apenas uma vez, podem servir várias operações sem a necessidade de confirmações constantes via feedback.

Tipos de Controle de Malha Fechada

Controle Contínuo de Malha Fechada

Nem todos os processos de malha fechada são iguais. Para um processo de controle contínuo, o laço de feedback mantém o valor da variável de controle definido pelo usuário, também chamado de ponto de ajuste. O controlador realiza uma simples subtração da última medição sensorial do ponto de ajuste. A magnitude do resultado determina o esforço corretivo que seria aplicado pelo controlador, através do atuador.

Por exemplo, um carro cujo controle de cruzeiro está ativado usaria o velocímetro como sensor para medir sua velocidade. Se a velocidade for menor que o valor definido, o controlador acelera o carro alimentando mais combustível. Se o carro estiver viajando muito rápido, a entrada de combustível é diminuída proporcionalmente. Este processo de medir-decidir-atuar continua até que a velocidade do carro alcance o ponto de ajuste.

Controle Discreto de Malha Fechada

Com controle contínuo de malha fechada, a variável de interesse é medida o tempo todo, mas com sistemas de controle discretos, um evento disparador resultaria na sequência medir-decidir-atuar. Por exemplo, humanos usam seus olhos para determinar o status da luz ambiente lá fora antes de dirigir e se devem ou não ligar os faróis. Nenhum ajuste adicional é necessário até um evento disparador, como uma instância de forte cobertura de nuvens ou o início da próxima viagem.

Laços de feedback discretos são muito mais simples que contínuos porque não envolvem monitoramento contínuo ou problemas como ultrapassagens agudas. Resultados instantâneos são obtidos quando os faróis são ligados, comparado aos resultados graduais com controle de cruzeiro.

Controle de Malha Aberta

Como mencionado antes, controladores de malha aberta assumem que o ponto de ajuste será alcançado de uma vez e aplicam um único esforço de controle quando o gatilho ocorre. Estes controladores também podem ter a opção de medir os resultados. Por exemplo, o motor iniciou ou parou? Estas medições são principalmente para considerações de segurança e não fazem parte da sequência.

Ocasionalmente, um controlador de malha fechada pode operar como um de malha aberta devido a uma falha de sensor ou tomada manual por um operador. O operador deve intervir quando um controlador de feedback não consegue manter sua estabilidade. Por exemplo, um controlador de pressão forçado pode não conseguir compensar adequadamente uma queda na pressão da linha, resultando em ultrapassagens e oscilações frequentes. Nestes casos, o operador deve assumir o controle manualmente para estabilizar o sistema.

Existem também vários processos para os quais controles estáveis são muito difíceis de configurar, exigindo operadores experientes a assumir com muita frequência. Operadores podem usar sua experiência para manipular as entradas do processo e manter o ponto de ajuste desejado muito mais rápido que o controlador. Mas esta não é a situação ideal com o uso de laços de controle. Então o que aconteceria se controles de malha aberta e fechada fossem combinados?

Combinando Controles de Malha Aberta e Fechada

Controle de malha aberta carrega a desvantagem da imprecisão, pois remover a porção de feedback também remove a garantia do esforço de controle fazendo o esforço de controle necessário. Controles de malha aberta e fechada podem ser combinados para formar uma estratégia de feedforward se velocidade e precisão são necessárias em paralelo.

Um controlador feedforward é construído sobre um modelo matemático do processo para que todos os esforços de controle seriam similares a um engenheiro experiente operando em modo manual. Ele mede os resultados dos esforços iniciais de malha aberta e aplica correções adicionais para eliminar erros e alcançar o ponto de ajuste. Este tipo de controlador é útil quando os sensores certos estão disponíveis para medir uma infinidade de critérios. Se seu efeito futuro pode ser previsto, então o controlador pode tomar medidas preventivas para garantir que o erro seja removido em tempo mínimo.

Por exemplo, se um carro é equipado com radar além do controle de cruzeiro, ele poderia ver uma colina chegando e acelerar para compensar a força adicional necessária para subir a colina. Sem o aviso prévio, o controle de malha fechada nunca saberia que precisa acelerar, levando à aplicação de esforços corretivos até que o ponto de ajuste seja alcançado novamente.

Cada tipo de laço de controle tem suas aplicações. Controle de malha aberta é mais adequado para situações onde o ponto de ajuste é alcançável em uma tacada. Controles de malha fechada são melhores para situações que requerem tentativa e erro para alcançar o ponto de ajuste. E o controle combinado de malha aberta e fechada requer modelos matemáticos e às vezes sensores para funcionar corretamente. A gama de opções permite que operadores escolham corretamente o laço de controle para suas necessidades.