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UNIVERSIDADE DO PLANALTO CATARINENSEDEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICASCURSO DE INFORMÁTICA

(BACHARELADO)

CONTROLE DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ROBOTIZADO

LUIZ FERNANDO MORETTI

LAGES, DEZEMBRO DE 2005.

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CONTROLE DE UM PROCESSO INDUSTRIAL ROBOTIZADO

LUIZ FERNANDO MORETTI

ESTE RELATÓRIO, DO TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, FOIJULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS DA

DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO VIIISEMESTRE, OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE:

BACHAREL EM INFORMÁTICA

Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M.Eng.Orientador

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Marconi Januário, Esp.GRUCAD/UFSC

Prof. Emerson André Fedechen, M.Sc.UNIPLAC

Prof. Angelo Augusto Frozza, Esp.Supervisor de TCC 

Prof. Wilson Castello Branco Neto, M.Sc.Coordenador de Curso

Lages, 07 de Dezembro de 2005

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Dedico este trabalho primeiramente àDeus, à minha família e a todas as pessoasque contribuíram de forma direta ouindireta para que se tornasse possível aconcretização deste. Aos mestres de todasas disciplinas que me proporcionaram umaação transformadora e crítica, levando-mea observar o mundo com múltiplos olharese a todos os colegas que sempre

caminharam junto comigo nesta caminhadaimportante para nossas vidas.

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Agradeço ao Prof. Carlos Roberto da SilvaFilho, pela sua eficiente orientação duranteo desenvolvimento dos trabalhos.Especialmente pela sua demonstração decompetência, amizade e distinção no trato

 profissional. Ao supervisor de TCC,Angelo Augusto Frozza, que sempre estevedisponível para sanar minhas dúvidas.Também agradeço a equipe do SENAI quedisponibilizou a estrutura e o equipamento

 para a execução deste projeto.

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 Nunca diga às pessoas como fazer ascoisas.

Diga-lhes o que deve ser feito e elassurpreenderão você com sua

engenhosidade.(George Patton)

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SUMÁRIO

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ........................................................................................ X 

LISTA DE SIGLAS ................................................................................................... XII 

RESUMO .................................................................................................................. XIII ABSTRACT ............................................................................................................. XIV 

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1 1.1 Apresentação ............................................................................................................. 1 1.2 Descrição do problema .............................................................................................. 4 1.3 Justificativa ................................................................................................................ 4 1.4 Objetivo geral ............................................................................................................ 5 1.5 Objetivos específicos ................................................................................................. 5 1.6 Metodologia ............................................................................................................... 6 

2 CONTROLE DE PROCESSOS .......................................................................................... 7 2.1 Conceitos de sistemas de controle ............................................................................. 7 2.1.1 Histórico de controle de processos ................................................................................... 9 2.1.2 Classificação de sistemas de controle ............................................................................. 11 2.1.3 Controle malha aberta e malha fechada ......................................................................... 13 2.1.4 Vantagens e desvantagens de sistemas de malha aberta e malha fechada ..................... 14 2.2 Modelagem matemática de controle de processos .................................................. 15 2.2.1 Função de transferência .................................................................................................. 19 2.2.2 Diagrama de blocos ........................................................................................................ 19 2.2.3 Resolução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo............................. 22 

2.3 Conclusão ................................................................................................................ 23 3 SISTEMAS ROBÓTICOS ............................................................................................... 24 3.1 Conceitos de robôs .................................................................................................. 24 3.1.1 Histórico da robótica....................................................................................................... 27  3.1.2 Classes de robôs .............................................................................................................. 29 3.1.3 Componentes básicos de um robô industrial ................................................................... 30 3.2 Espaço de trabalho ................................................................................................... 36 3.2.1 Coordenadas generalizadas ............................................................................................ 37  3.2.2 Graus de liberdade .......................................................................................................... 37  3.2.3 Anatomia dos manipuladores .......................................................................................... 39 

3.2.4 Precisão e repetibilidade ................................................................................................. 40 3.3 Análise de desempenho de robôs manipuladores .................................................... 40 

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3.3.1 Características de desempenho ....................................................................................... 41 3.4 Programação de robôs manipuladores ..................................................................... 44 3.4.1 Métodos de programação ................................................................................................ 45 3.4.2 Linguagens de programação de robôs industriais .......................................................... 47  

3.5 Ergonomia de sistemas robotizados ........................................................................ 49 3.5.1 Análise das características do trabalho .......................................................................... 50 3.5.2 Planejamento de métodos de trabalho e processos ......................................................... 51 3.5.3 Projeto do arranjo físico ................................................................................................. 52 3.5.4 Integração de ergonomia humana e de robôs ................................................................. 52 3.6 Modelagem e controle de Robôs ............................................................................. 53 3.7 Conclusão ................................................................................................................ 54 

4 CONTROLE DE UMA ESTEIRA INTEGRADA A UM SISTEMA ROBOTIZADO ................ 55 4.1 Controladores Lógicos Programáveis...................................................................... 55 4.1.1 Arquitetura dos CLPs ...................................................................................................... 57  

4.1.2 Arquitetura funcional dos CLPs ...................................................................................... 58 4.1.3 A Linguagem de programação de um CLP ..................................................................... 60 4.2 Inversor de freqüência ............................................................................................. 63 4.2.1 Parametrização típica de um inversor ............................................................................ 64 4.2.2 Aplicações típicas com o inversor ................................................................................... 66  4.3 Sensores ................................................................................................................... 66 4.3.1 Sensor magnético ............................................................................................................. 67  4.3.2 Sensor capacitivo ............................................................................................................. 67  4.3.3 Sensor indutivo ................................................................................................................ 70 4.3.4 Sensor óptico ................................................................................................................... 73 4.3.5 Chave fim-de-curso ......................................................................................................... 74 4.4 Encoders .................................................................................................................. 75 4.4.1 Encoders incrementais .................................................................................................... 77  4.4.2 Encoders absolutos .......................................................................................................... 77  4.4.3 Encoders absolutos virtuais ............................................................................................ 79 4.5 Motores elétricos ..................................................................................................... 81 4.5.1 Motores elétricos de indução .......................................................................................... 83 4.5.2 Princípio de funcionamento de motores de indução trifásicos ....................................... 84 4.5.3 Especificação de motores elétricos para uma dada aplicação ....................................... 85 4.6 Conclusão ................................................................................................................ 87 

5 SISTEMA DE PALETIZAÇÃO ROBOTIZADA ................................................................. 88 5.1 Programação do robô ............................................................................................... 88 5.1.1 Programação passo a passo do robô .............................................................................. 90 5.2 Programação do CLP ............................................................................................... 92 5.3 Parametrização do Inversor ..................................................................................... 94 5.4 Interligação do CLP com o robô ............................................................................. 95 5.5 Descrição do programa integrado ............................................................................ 97 5.6 Composição do sistema integrado ........................................................................... 98 5.7 Descrição do processo ........................................................................................... 104 5.8 Realização dos testes ............................................................................................. 104 5.9 Conclusão .............................................................................................................. 105 

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................... 106 

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 108 

APÊNDICES .............................................................................................................. 109 

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES

FIGURA 1 -  Elemento de um diagrama de blocos .................................................. 20 FIGURA 2 -  Sistema a malha fechada ..................................................................... 21 FIGURA 3 -  Robô industrial manipulador ............................................................... 26 

FIGURA 4 -  Robô humanóide desenvolvido pela Honda ....................................... 29 FIGURA 5 -  Componentes básicos de um robô industrial. ...................................... 31 FIGURA 6 -  Os seis tipos básicos de preensão da mão humana ............................. 33 FIGURA 7 -   Preensões típicas de diversos tipos de garras ..................................... 33 FIGURA 8 -  Garra com dedos flexíveis ................................................................... 34 FIGURA 9 -  Garra mecânica com três dedos ........................................................... 35 FIGURA 10 -  Diferentes espaços de trabalho em manipuladores de diferentes

anatomias. ............................................................................................ 36 FIGURA 11 -  Manipulador com duas juntas de revolução no mesmo plano. ........... 37 FIGURA 12 -  Braço mecânico com 3 graus de liberdade: 2 juntas de revolução e 1

 prismática ............................................................................................ 38 FIGURA 13 -  Configuração: (a) cartesiana; (b) cilíndrica; (c) esférica e (d) de

revolução. ............................................................................................ 39 FIGURA 14 -  Ilustração de conceitos de precisão e repetibilidade. .......................... 40 FIGURA 15 -  Teach-pendant ..................................................................................... 45 FIGURA 16 -  Exemplo de um CLP versão compacta Siemens ................................. 56 FIGURA 17 -  Arquitetura interna de um CLP ........................................................... 57 FIGURA 18 -  Um exemplo de um CLP modular....................................................... 58 FIGURA 19 -  Placa de CPU de um CLP ................................................................... 60 FIGURA 20 -  Exemplo de diagrama Ladder ............................................................. 62 

FIGURA 21 -  Exemplo de diagrama Ladder  com lógica negativa ............................ 62 FIGURA 22 -  Exemplo de diagrama Ladder  com lógica NAND e NOR .................. 63 FIGURA 23 -  Funcionamento do sensor magnético .................................................. 67 FIGURA 24 -  Esquema de funcionamento do sensor capacitivo ............................... 68 FIGURA 25 -  Tabela de constantes dielétricas dos materiais .................................... 68 FIGURA 26 -  Constante de tempo RC ....................................................................... 69 FIGURA 27 -  Forma de construção do sensor capacitivo .......................................... 69 FIGURA 28 -  Dinâmica do sensor capacitivo ............................................................ 70 FIGURA 29 -  Princípio de funcionamento do sensor indutivo .................................. 70 FIGURA 30 -  Esquema de funcionamento do sensor indutivo .................................. 71 

FIGURA 31 -  Como funciona o sensor indutivo........................................................ 71 

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FIGURA 32 -  Variação de tensão com o sensor indutivo ligado ............................... 72 FIGURA 33 -  Aparência de um indutor comercial .................................................... 72 FIGURA 34 -  Funcionamento do sensor óptico ......................................................... 73 FIGURA 35 -  Formas de operação do sensor óptico ................................................. 74 

FIGURA 36 -  Sensor óptico ....................................................................................... 74 FIGURA 37 -  Chave fim-de-curso ............................................................................. 75 FIGURA 38 -  Esquema de funcionamento da chave fim-de-curso............................ 75 FIGURA 39 -  Princípio de funcionamento de um encoder  rotativo .......................... 76 FIGURA 40 -  Princípio de funcionamento de um encoder  linear ............................. 76 FIGURA 41 -   Encoder  Incremental ........................................................................... 77 FIGURA 42 -   Encoder Absoluto ................................................................................ 78 FIGURA 43 -  Comparação de discos de encoders incrementais, absolutos, absoluto

virtual ................................................................................................... 80 FIGURA 44 -  Classificação de motores elétricos ...................................................... 82 FIGURA 45 -  Motor elétrico trifásico de indução com rotor bobinado. .................... 83 FIGURA 46 -  Teach-pendant  e suas principais funções ............................................ 89 FIGURA 47 -  Tela com a declaração das variáveis do sistema. ................................ 93 FIGURA 48 -  Topologia do sistema .......................................................................... 94 FIGURA 49 -  Esquema de ligação entre o robô e o relê ............................................ 96 FIGURA 50 -   Encoder  utilizado no trabalho. ............................................................ 99 FIGURA 51 -  Inversor de freqüência utilizado no trabalho. ...................................... 99 FIGURA 52 -  Sensor óptico utilizado no trabalho. .................................................. 100 FIGURA 53 -  CLP, expansão local e expansão remota utilizados no trabalho. ...... 100 FIGURA 54 -  Robô utilizado na realização dos trabalhos. ...................................... 101 FIGURA 55 -  Motor elétrico de indução utilizado no trabalho. .............................. 101 FIGURA 56 -  Esteira utilizada na realização do trabalho ........................................ 102 FIGURA 57 -  Conjunto de relês utilizados no sistema. ........................................... 102 FIGURA 58 -  Sistema completo com seus componentes interligados. ................... 103 FIGURA 59 -  Mapa do sistema ................................................................................ 103 

QUADRO 1 -  Especificações de encoders absolutos ................................................. 79 QUADRO 2 -  Aplicações da tecnologia de encoders absolutos virtuais. .................. 80 

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LISTA DE SIGLAS

ABNT - Associação Brasileira de Normas TécnicasCA - Corrente Alternada

CC - Corrente ContínuaCLP - Controlador Lógico ProgramávelCNC - Comando Numérico ComputadorizadoCPU - Central Process Unit  DORT - Distúrbios Osteomoleculares Relacionados ao trabalhoEPROM - Eraseble Programable Ready Only Memory Hz - Hertz  ISO - International Organization for StandardizationLED - Ligth Emissor Diode LER - Lesão por Esforço Repetitivo

MAG - Metal Active Gás MIG - Metal Inert Gás

 NA - Normalmente Aberto NASA - National Aeronautics and Space Administration  NBR - Normatização Brasileira NF - Normalmente FechadoPID - Proporcional, Integral, DerivativoRAM - Randon Access Memory RC - Resistor/CapacitorRIA - Robotic Industries Association 

RPM - Rotações por MinutoRUR - Rossum’s Universal Robotics SRI - Stanford Research Institute TIG - Tungsten Inert Gás 

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RESUMO

O processo robotizado está cada vez comum na indústria devido a melhora naqualidade final dos produtos, diminuição dos custos de produção e quantidade de

 produtos acabados em um determinado intervalo de tempo. Este trabalho tem como

 principal objetivo simular um processo industrial robotizado, através de equipamentosutilizados na indústria, como o robô manipulador que tem a função de manipularobjetos, o controlador lógico programável, também conhecido como CLP que tem afunção de armazenar o programa de controle, bem como receber os sinais de entradavindos dos elementos envolvidos e ativar as saídas do processo, o inversor defreqüência que conjuntamente com outros dispositivos de controle pode determinar ocomportamento de um motor e o encoder  que serve para transformar um movimentoangular num movimento linear de distância. O processo terá um botão de inicializaçãoque informa ao controlador que o processo foi iniciado. Além disso, o processo possuium sensor óptico que determina que a peça a ser deslocada na esteira está na posição

inicial e que deve ser deslocada até uma determinada distância. Ao final destadistância a esteira deve ser desligada para que a peça fique na posição correta, o robô

 possa pegá-la e colocá-la no local previamente definido através de seu programa decontrole.

Palavras-chave: Automação industrial; Robótica; Controle de Processo industrialRobotizado; Controlador Lógico Programável.

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ABSTRACT

The robotized process is more and more common in the industry due to improvementin the final quality of the products, decrease of the costs of production and amount offinished goods in a certain interval of time. This work has as main objective to

simulate a robotized industrial process, through equipments used in the industry, as therobot manipulator that has the function of manipulate objects, the programmablelogical controller, also known as CLP that has the function of storing the control

 program, as well as to receive the input signs that came from the involved elementsand to activate the exits of the process, the frequency inversor that jointly with othercontrol devices can determine the behavior of a motor and the encoder that works totransform an angular movement in a lineal movement of distance. The process willhave an initialization button that informs the controller that the process was begun.Besides, the process possesses an optical sensor that determines that the piece to bemoved in the mat is in the initial position and that it should be moved until a certain

distance. At the end of this distance the mat should be turned off for the piece to be inthe correct position, the robot can catch it and put it in the previous defined placethrough its control program.

Keywords: Industrial Automation; Robotics; Robotic Industrial Process control;Programmable Logical Controller.

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1 INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação

Processo é uma ação que evolui de forma progressiva e constitui uma série

de ações que são controladas a fim de alcançar um determinado resultado ou atingir

uma meta (OGATA, 2000).

Controlar um processo significa atuar sobre ele, utilizando de todos os

mecanismos disponíveis, ou sobre as condições a que o mesmo está sujeito a fim de

atingir alguma meta. Cada processo pode ter um ou mais resultados (efeitos e fins).

Para que se possa de fato controlar cada processo é necessário medir (avaliar) os seus

efeitos a fim de que se possa chegar ao objetivo proposto.

A utilização de robôs em processos industriais é cada vez mais comum,

devido a vários fatores, como: a diminuição do custo de mão-de-obra final do produto,

a diminuição de lesões por esforço repetitivo (LER) e os distúrbios osteomoleculares

relacionados ao trabalho (DORT) em funcionários humanos. Além de uma grande

diferença na quantidade de produtos acabados por um determinado intervalo de tempo.

 No controle de processos, os robôs devem ser escolhidos de acordo com

alguns parâmetros que devem ser levados em consideração, tais como: o espaço de

trabalho, a repetitividade, a precisão, a velocidade, o número de graus de liberdade que

o robô contém, controle e fundações (ROMANO, 2002).

A repetibilidade de um manipulador Segundo PAZOS (2002), significa a

capacidade do mesmo de retornar de forma seguida a um determinado ponto do espaço

de trabalho, ou seja, o manipulador parte de um ponto de inicio até um segundo ponto,

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executa o trabalho e depois retorna novamente ao ponto inicial, podendo assim repetir

essa trajetória por várias vezes, caracterizando assim a repetibilidade.

A precisão é definida como a capacidade de um manipulador atingir um

 ponto especificado, independente do sistema de coordenadas que esteja sendo

utilizado. Um manipulador pode ter uma ótima repetibilidade atuando sobre pontos

 próximos, porém esses pontos podem não estar exatamente na posição desejada,

caracterizando assim uma precisão pobre (PAZOS, 2002).

Um robô industrial é um manipulador com várias funcionalidades,

reprogramável e projetado para movimentar ferramentas, materiais e peças especiais,

através de vários movimentos que são programados para o desempenho de tarefasvariadas (ROMANO, 2002). Isto dá a idéia das aplicações variadas que podem ser

realizadas por esse tipo de equipamento.

A soldagem é uma das aplicações mais comuns de robôs industriais.

Aproximadamente 25% desses robôs são empregados em diferentes aplicações de

soldagem. Outra aplicação para os robôs industriais é a montagem de componentes,

correspondendo a 33% das aplicações, e muito destes são empregados em indústrias

automobilísticas e de eletrônica. Com uma pequena fatia estão os processos de

empacotamento e paletização, com 2,8% do número total (ROMANO, 2002). Uma

área que irá utilizar consideravelmente os robôs industriais futuramente é a indústria

alimentícia (ROMANO, 2002).

A robótica industrial é aplicada em várias áreas, entre elas está o processo de

 paletização de materiais. De acordo com PIRES (2003), a paletização de vidros é

muito comum na indústria, principalmente na área automobilística, onde os robôs

trabalham principalmente devido às altas temperaturas para o sistema de modelagem

dos vidros. Outra aplicação muito importante nesta área é a despaletização de peças

cerâmicas não planas (ex. vasos sanitários) que possuem vários modelos que após

despaletizados ainda precisam ser inspecionados (PIRES, 2003). Segundo ROMANO

(2002), o processo de soldagem robotizado mudou completamente a concepção da

linha de produção, principalmente na área automobilística, pois a precisão e a

 produtividade aumentaram significativamente. O processo de soldagem robotizado

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traz muitas vantagens, entre elas estão a capacidade do robô de trabalhar em

temperaturas extremas, maior precisão na soldagem, trabalhar durante várias semanas

ininterruptamente e várias outras vantagens que facilitam o processo de produção de

forma geral. Os principais tipos de soldagem robotizada são: soldagem com eletrodo

contínuo sob proteção gasosa (também conhecida como MIG, MAG), soldagem TIG,

soldagem e corte a laser , soldagem e corte à plasma e, por fim, soldagem por

resistência elétrica por pontos.

Além dos robôs industriais existem robôs para aplicações específicas, tais

como, robôs móveis (como o explorador  spirit   enviado à Marte pela NASA), robôs

com esteira (como robôs desenvolvidos para desativar minas, utilizados pelo exércitoamericano), robôs com patas (utilizados para exploração submarina), além de futuros

robôs com rodas para limpeza, corte de grama, entre outros (ROMANO, 2002). Tais

robôs não serão abordados, pois não fazem parte do escopo deste trabalho.

 Nos capítulos posteriores são abordados vários temas relacionados

diretamente ao trabalho proposto. No capítulo 2 são tratados os assuntos: controle de

 processos, conceitos de sistemas de controle e robótica, além de sistemas de controle

em malha aberta e malha fechada, modelo de controle de servo motores, análise de

sistemas de segunda ordem, técnicas de controle PID com seu respectivo controle

eletrônico. O capítulo 3 trata dos sistemas robóticos, bem como os conceitos de robôs,

a modelagem geométrica de robôs industriais e também o espaço de trabalho e

definição de trajetórias. No capítulo 4 é abordado como assunto principal o controle de

uma esteira integrada a um sistema robotizado, também é descrito o funcionamento

dos controladores lógicos programáveis, inversor de freqüência, sensores. Será

abordado o funcionamento dos encoders  e dos motores elétricos de indução.

Finalmente, no capítulo 5 são tratados temas específicos do trabalho, isto é o sistema

integrado de controle de paletização de peças robotizado, a descrição das interligações

dos componentes. Também é descrito o programa de controle da esteira, do robô e do

controle integrado. Por fim, é descrito todo o funcionamento do sistema.

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1.2 Descrição do problema

 Na fabricação de produtos manufaturados, existem diversas linhas de

 produtos similares como, por exemplo, a soldagem de partes de um automóvel, de

modelos diferentes. Um sistema automático de soldagem deve considerar a

repetibilidade do processo integrado. Na soldagem com operador humano, este fica

realizando o processo de solda manualmente de modo repetitivo. Num sistema de

controle automático, um robô pode substituir o operador humano, desde que o mesmo

esteja interligado ao processo produtivo. Portanto, o problema consiste em identificar

o que deve ser considerado para substituir a operação manual repetitiva num processo

industrial por um sistema de controle robotizado integrado e automático.

1.3 Justificativa

 Num sistema manufaturado a precisão associada com a repetibilidade é

imprescindível para produção de produtos com qualidade. Se a produção é feita de

modo manual, isto é, com a presença de pessoas na linha de produção, a tendência é dese obter produtos com menor precisão e com qualidade inferior. Assim, um sistema de

controle automatizado soluciona o problema. De acordo com ROMANO (2002, p. 16),

“a maioria das atividades relacionadas a robôs industriais em processos de produção

envolve operações de movimentação, processamento e controle de qualidade”. Porém

dependendo da situação ou do produto a ser fabricado, é possível otimizar ou

flexibilizar o processo produtivo. Os sistemas robotizados permitem tal flexibilidade,

 pois estes podem repetir inúmeras vezes uma seqüência de ações, mesmo que em mais

de uma linha de produção. Os sistemas robotizados são considerados sistemas

flexíveis, pois a partir de uma mudança na linha de produção é possível adaptá-lo para

o novo processo. Conforme ROMANO (2002, p. 11), “robôs são máquinas de

 programação flexível, projetadas para operar em diversas situações. Logo, as

especificações de operação fornecidas pelo fabricante são de caráter geral e

relacionam-se à: volume de trabalho, capacidade de carga, velocidade máxima,

 precisão e repetibilidade”. 

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Um robô é um sistema que precisa para si um controle próprio. Isto significa

que o robô deve ter o controle de todas as juntas e cada uma delas deve ser deslocada

conforme um programa de controle. Num sistema de manufatura robotizado, deve-se

 programar a operação do robô na linha de produção e, caso seja preciso alterar a

seqüência do mesmo, basta que seja alterado o programa de controle. Isto flexibiliza a

sua ação no processo produtivo sem a necessidade de ter que substituí-lo. Neste

contexto, o presente trabalho simula uma linha de produção com o uso de um robô

integrado ao sistema de controle da linha de produção através de um controlador

lógico programável - CLP. Este trabalho permite o desenvolvimento da lógica de

controle num sistema integrado de manufatura, bem como acrescenta um conjunto deconhecimentos relacionados ao controle e a automação industrial de um modo geral. 

1.4 Objetivo geral

Simular um sistema de controle robotizado num processo industrial fictício,

através da implementação do programa de controle do robô, integrado ao programa de

controle da esteira e do processo global num controlador lógico programável.

1.5 Objetivos específicos

Os objetivos específicos do trabalho são os seguintes:

a)  Fazer um levantamento bibliográfico dos componentes do sistema de controle,

considerando os aspectos relevantes ao processo em questão;

 b)  Utilizar a esteira desenvolvida em trabalhos anteriores para posicionar uma peça de

madeira para que o robô possa pegá-la;

c)  Desenvolver o programa de controle do robô conforme os requisitos do processo.

d)  Implementar e revisar o sistema de controle da esteira com a integração do robô

neste processo;

e)  Realizar os testes no sistema para verificar a precisão da repetibilidade do robô.

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1.6 Metodologia

O desenvolvimento do trabalho iniciou com um levantamento bibliográfico à

respeito dos componentes do sistema, isto é, a sua especificação técnica. Na

especificação de cada componente, foram apresentados os conceitos e princípios de

funcionamento dos mesmos. Além disso, para cada componente, foram apresentados

os conceitos relacionados a solução proposta. Posteriormente foi apresentado o modelo

do sistema de controle conceitual, modelagem matemática. Uma vez descrito o modelo

matemático do processo, foi especificado o seu modelo dinâmico de controle. No

levantamento bibliográfico foram abordados também os conceitos básicos de um

sistema de controle em malha fechada. Relacionado ao sistema robótico, foram

descritos os conceitos sobre seus elementos de controle, constituição física e espaço de

trabalho. Conceitos como repetibilidade e precisão foram elementos especificados para

verificação da adequação do sistema robótico no sistema integrado de controle, ou

seja, todos os componentes do processo.

A segunda etapa do trabalho consistiu em estudar o trabalho anterior de

controle da esteira (ZACCARON, 2003), com descrição resumida dos seuscomponentes, bem como o seu programa de controle. Além disso, foi apresentada uma

descrição de como o robô fez parte do processo. Neste caso, a esteira deve estar parada

 para que o robô possa pegar a peça e colocá-la no local apropriado. Nesta etapa,

também, foi feito um estudo da interligação do robô com o CLP, para integração do

sistema.

Posteriormente, foi implementado um programa de controle do robô

integrado ao controle da esteira. Este programa foi feito na linguagem de comandos

desenvolvida pelo fabricante do robô. Os comandos utilizados na programação fizeram

com que o processo se repetisse indefinidamente até que o mesmo tivesse um

comando de parada. Os comandos que foram utilizados no processo foram descritos.

Por fim, foram realizados testes para verificar a repetibilidade do processo,

determinando a precisão do robô no controle do processo específico deste trabalho,

 para determinar seu desempenho global.

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2 CONTROLE DE PROCESSOS

 Neste capítulo são abordados assuntos importantes, como os conceitos de

controle de processos, bem como os seus tipos, seu histórico, sua classificação,

sistemas de controle em malha aberta e controle em malha fechada e principalmente, asua importância para todos os tipos de processos que puderam ser controlados.

Também são abordados os conceitos de diagramas de blocos, modelagem matemática

de controle de processos, função de transferência e resolução de equações diferenciais

lineares e invariantes no tempo.

2.1 Conceitos de sistemas de controle

Hoje existem muitos equipamentos que trabalham praticamente sozinhos,

 porém, esses equipamentos necessitam de um sistema de controle para que possam

operar de forma independente à presença do ser humano. Esses equipamentos fazem

 parte de um processo que está acontecendo, onde cada etapa desse processo influencia

no resultado gerado. A partir desse resultado são verificados os padrões de qualidade

dos produtos que são resultado desse processo.

Em toda área técnica, existem termos que precisam ser definidos para

especificação do que se deseja apresentar. Portanto serão apresentados alguns

conceitos, buscando a uniformidade do conhecimento tratado.

Segundo o dicionário AURÉLIO SÉCULO XXI (FERREIRA, 1999),

controle ato ou poder de controlar; domínio. Fiscalização exercida sobre produtos,

 para que tais produtos, não se desviem das normas pré-estabelecidas e controlar  

significa exercer o controle. Em termos técnicos, para OGATA (2000) controle 

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significa medir o valor da variável   controlada  do sistema e aplicação da variável

manipulada ao sistema para corrigir ou limitar o desvio do valor medido de um valor

desejado. A variável controlada é a grandeza ou condição que é medida e controlada;

enquanto a variável manipulada  é a grandeza ou condição que é variada pelo

controlador  de modo a afetar o valor da variável controlada. Na maioria dos casos, a

variável controlada é a saída de um sistema e o controlador  é o sistema que exerce o

controle.

Além do conceito de controle, serão apresentados os conceitos adicionais de

termos técnicos em controle, obtidos da literatura específica de um modo geral, como

(OGATA 2000):   Planta: é parte de um equipamento (eventualmente, um conjunto de itens

de uma máquina que funcionam conjuntamente), com o objetivo de

realizar uma dada operação.

  Sistema: É uma combinação de componentes que atuam conjuntamente e

realizam um certo objetivo. O conceito de sistema pode ser aplicado em

várias situações, não limitando-se a entidades físicas, podendo referenciar

fenômenos abstratos, dinâmicos, entre outras situações.

   Processo:  é uma operação artificial ou voluntária, que evolui

 progressivamente e que consiste em uma série de ações controladas ou

movimentos sistematicamente dirigidos, com o objetivo de conduzir a um

resultado ou finalidade particular.

   Perturbações:  uma perturbação é um sinal que tende a afetar

adversamente o valor da saída do sistema, podendo ser interna quando égerada pelo sistema e externa quando gerada fora do sistema, que neste

caso é designada por distúrbio. 

  Controle realimentado:  refere-se a uma operação que, na presença de

 perturbações ou distúrbios, tende a reduzir a diferença entre a saída de um

sistema e alguma entrada de referência do mesmo, e que opera com base

nesta diferença. Neste caso, apenas distúrbios não previsíveis são

especificados como tais, desde que distúrbios conhecidos ou previsíveis

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 possam sempre ser compensados dentro do sistema.

  Sistemas de controle realimentados:  é um sistema que mantém uma

relação de precisão entre a saída e a entrada de referência, comparando-as

e utilizando a diferença como um meio de controle. Um exemplo seria

um sistema de controle de nível. Medindo-se nível de um dado tanque e

comparando-o com o nível de referência desejado, uma válvula abre ou

fecha o escape do tanque de maneira tal que assegure que o nível deste

 permaneça no valor desejado, independente de condições externas.

  Servosistemas: um servo sistema (ou servomecanismo), é um sistema de

controle realimentado em que a saída é alguma posição mecânica,velocidade ou aceleração. Portanto os termos servossistema e sistema de

controle de posição (ou de velocidade, ou de aceleração) são sinônimos.

Os servossistemas são extensivamente usados na indústria moderna.

  Sistemas reguladores automáticos:  um sistema regulador automático é

um sistema de controle realimentado em que a entrada de referência ou a

saída desejada ou é constante ou varia lentamente com o tempo e em que

a tarefa principal consiste em manter a saída real no valor desejado na

 presença de perturbações.

  Sistemas de controle de processos: é um sistema regulador automático no

qual a saída é uma variável, como por exemplo, temperatura, pressão,

nível de líquidos entre outros. 

2.1.1 Histórico de controle de processos

Sem apresentar uma revisão da história de sistemas de controle e automação,

de um modo completo, neste trabalho, apresentam-se a seguir, alguns fatos

importantes desta área do conhecimento.

O primeiro grande trabalho na área foi de  James Watt , que desenvolveu o

 primeiro controlador centrífugo para controle de velocidade de uma máquina a vapor

no século XVIII. Outros trabalhos em controle automático nos primeiros estágios de

desenvolvimento da teoria de controle foram devidos a  Minorsky, Hazen e Nyquist, 

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entre muitos outros (OGATA, 2000).

Em 1922, Minorsky trabalhou em controladores automáticos para pilotagem

de navios e mostrou como poderia ser determinada a estabilidade apartir de equações

diferenciais que descrevem o sistema. Em 1932,  Nyquist   desenvolveu um

 procedimento relativamente simples para determinar a estabilidade de sistemas de

malha fechada com base na resposta da malha aberta a entradas senoidais em regime

 permanente. Em 1934,  Hazen, que introduziu o termo servomecanismo para sistemas

de controle de posição, discutiu o projeto de servomecanismo a relé capazes de seguir

muito de perto uma entrada variável (OGATA, 2000).

 Na década de 40 os métodos de resposta de freqüência tornaram possível queengenheiros desenvolvessem projetos sistemas de controle de malha fechada lineares

que satisfizeram os requisitos de desempenho, desde o final da década de 40 até início

dos anos 50, o método do lugar de raízes devido a  Evans  foi completamente

desenvolvido. Este método tornou-se o coração da teoria de controle clássica

constituida por métodos de resposta em frequência e lugar de raízes, pois levam a

sistemas que são estáveis e satisfazem a um conjunto de requisitos de desempenho. A

 partir da década de 50, a ênfase nos problemas de projeto de controle tem sido

transferida do projeto de um dos muitos sistemas que funcionam para o projeto de um

sistema ótimo em algum sentido expressivo.

Com base nos modernos processos com muitas entradas e saídas torna-se

cada vez mais complexa a descrição de um sistema de controle moderno, que requer

um grande número de equações, enquanto a teoria de controle clássica trata somente

entradas e saídas simples. Entretanto, a teoria de controle clássica, torna-se impotente

 para sistemas de entrada múltipla e saída múltipla. Desde 1960 aproximadamente,

devido à disponibilidade dos computadores digitais ter tornado possível a análise de

sistemas complexos no domínio do tempo, a teoria de controle moderna, baseada na

análise e na síntese no domínio do tempo usando variáveis de estado, tem sido

desenvolvida para competir com a complexidade crescente de processos modernos de

requisitos rigorosos em termos de precisão, peso e custo em aplicações militares,

espaciais e industriais (OGATA 2000).

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Recentes desenvolvimentos em teoria de controle moderno estão no campo

do controle ótimo tanto de sistemas determinísticos quanto de estocásticos, bem como

de controle de aprendizado e controle adaptativo de sistemas complexos. Agora os

computadores digitais têm se tornado mais baratos e mais compactos, eles são usados

como partes integrantes destes sistemas de controle. Recentes aplicações da teoria de

controle moderna incluem sistemas não pertencentes à engenharia, tais como sistemas

 biológicos, biomédicos, econômicos e sócio-econômicos.

2.1.2 Classificação de sistemas de controle

A introdução da teoria e desenvolvimento de controle moderna junto com as

máquinas automatizadas, tiveram suas possibilidades de aplicação expandidas através

de controle eletrônicos e agora com os computadores digitais mais baratos e mais

compactos, que são usados como parte integrante destes sistemas de controle. Essa

mudanças tem também liderados novos rumos e tecnologias.

Elementos de controle são requisitos para a operação de máquinas e

 processos em quase todas as áreas de produção. Isto deve ser possível para iniciar,

controlar e monitorar a operação de qualquer máquina ou processo. Entretanto, os

sistemas de controle possuem características que os diferem um dos outros, de acordo

com o controle a ser efetuado. Este item apresenta as classificações de tais sistemas, de

acordo com a literatura (OGATA, 2000).

Ainda de acordo com OGATA (2000), os sistemas de controle podem ser

classificados de muitas maneiras diferentes. Algumas destas maneiras são:

Sistemas de controle lineares X não-lineares:  Os sistemas físicos,geralmente, são não lineares em vários pontos. No entanto, se a faixa de

variações das variáveis do sistema não for ampla, então o sistema pode

ser linearizado dentro de uma faixa de variação relativamente pequena

das variáveis. Para os sistemas lineares, o princípio da superposição se

aplica, enquanto que para sistemas não-lineares, tal princípio não se

aplica.

  Sistemas de controle invariantes no tempo X variante no tempo:   um

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sistema de controle invariante no tempo é aquele cujos parâmetros não

variam com o tempo. Portanto, a resposta de tal sistema é independente

do tempo em que uma entrada é aplicada. Já um sistema de controle

variável no tempo é um sistema em que um ou mais parâmetros variam

com o tempo e resposta depende do tempo em que uma entrada é

aplicada.

  Sistema de controle de tempo contínuo X discreto:  em um sistema de

controle de tempo contínuo, todas as variáveis do sistema são função de

um tempo t contínuo, enquanto o sistema de controle de tempo discreto

envolve uma ou mais variáveis que são conhecidas somente em certosinstantes de tempo.

  Sistema de controle de entrada/saída simples X entrada/saída múltipla: 

um sistema de uma entrada e uma saída é denominado sistema de

controle de entrada/saída simples. Quando o sistema possuir várias

entradas e saídas, são chamados de sistemas entrada/saída múltiplas.

  Sistemas de controle de parâmetros concentrados X parâmetros

distribuídos: sistemas de controle que podem ser descritos por equações

diferenciais ordinárias são sistemas de controle de parâmetros

concentrados, enquanto que sistemas de controle de parâmetros

distribuídos são aqueles que podem ser descritos por equações

diferenciais parciais.

  Sistemas de controle determinístico X estocásticos:  um sistema de

controle é determinístico se a resposta à entrada é prognosticável e érepetível. Se não, o sistema de controle é estocástico.

  Sistemas de controle de malha aberta X malha fechada:  os sistemas de

malha aberta não verificam o valor da saída para comparar com um valor

de referência. Já os sistemas de malha fechada, fazem tal comparação,

obtendo um sinal de erro para efetuar uma ação de controle.

Com base na classificação dos sistemas de controle relacionados acima, o

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sistema em questão neste trabalho pode ser classificado como linear porque as

variáveis do sistema não têm mudanças drásticas; de tempo contínuo, de forma que

 pode-se saber a função de cada variável, pois as mesmas são função de um tempo

contínuo; de várias entradas e várias saídas.

2.1.3 Controle malha aberta e malha fechada

Controladores são dispositivos eletrônicos, mecânicos ou a combinação de

ambos que tem por objetivo principal controlar um sistema. Esses controladores em

geral são ligados na entrada do sistema e são responsáveis por gerar o sinal de acordo

com a saída estipulada pelo usuário (PAZOS, 2002).

Existem dois tipos de sistemas controles que podem ser empregados: o

sistema controle sem realimentação, também chamado de Sistema Controle em Malha

Aberta e o Sistema controle com realimentação que também é chamado de Sistema

Controle em Malha Fechada.

Os sistemas de controle realimentado são às vezes denominados  sistemas de

controle de malha fechada. Na prática, os termos controle realimentado e controle de

malha fechada são usados intercambiavelmente. Em sistema de controle de malha

fechada o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o sinal de entrada e o sinal

realimentado (que pode ser o próprio sinal de saída ou uma função do sinal de saída e

sua derivadas), é introduzido no computador de modo a reduzir o erro e trazer a saída

do sistema a um valor desejado. O termo controle de malha fechada sempre implica o

uso de ação de controle realimentado a fim de reduzir o erro do sistema.

Os sistemas de controle em malha aberta são sistemas em que a saída nãotem nenhum efeito sobre a ação de controle . Em outras palavras, em um sistema de

controle em malha aberta a saída não é medida nem realimentada para comparação

com a entrada. Um exemplo prático é uma máquina de lavar roupas. Nela, as

operações de molhar, lavar e enxaguar são efetuadas em uma mesma base de tempo. A

máquina não mede o sinal de saída, isto é a limpeza das roupas. Em qualquer sistema

de controle em malha aberta a saída não é comparada com a entrada de referência.

Assim, a cada entrada de referência corresponde uma condição de operação fixa; em

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consequência, a precisão do sistema de uma calibração. Na presença de pertubações,

um sistema de controle em malha aberta não desempenhará a tarefa desejada.

O controle de malha aberta pode ser usado, na prática, somente se a relação

entre a entrada e a saída for conhecida e se não houver distúrbios internos ou externos.

Cabe ressaltar que qualquer sistema de controle que opere numa base de tempo em sua

totalidade é de malha aberta, como por exemplo, o controle de tráfego por meio de

sinais operados em uma base de tempo é um outro tipo de controle em malha aberta.

2.1.4 Vantagens e desvantagens de sistemas de malha aberta e malha fechada

Dependendo do tipo de controle a ser efetuado num dado processo, existem

vantagens e desvantagens de utilizar um sistema de malha aberta ou um sistema de

malha fechada. Estas vantagens e desvantagens estão relacionadas à complexidade do

controle, ao preço dos componentes do sistema de controle, bem como da viabilidade

da implementação do controle (OGATA, 2000).

Os sistemas de malha fechada possuem a vantagem de que da realimentação

torna a resposta do sistema relativamente insensível a distúrbios externos e variações

internas nos parâmetros do sistema. Neste caso, pode-se utilizar componentes baratos e

sem muita precisão para obter o controle preciso de uma dada planta (processo),

enquanto que isto não é viável num sistema de malha aberta.

Do ponto de vista de estabilidade, o sistema de controle em malha aberta é

mais fácil de construir porque a estabilidade do sistema não constitui um problema

significativo. Por outro lado, a estabilidade é sempre um problema fundamental no

sistema de controle de controle em malha fechada, o qual pode tender a corrigir errosque podem causar oscilações de amplitude constante ou variável. Deve ser enfatizado

que, para sistemas nos quais as entradas são conhecidas antecipadamente e nas quais

não há distúrbios, é aconselhável usar controle em malha aberta.

Os sistemas de controle em malha fechada possuem vantagens somente

quando distúbios imprevisíveis ou variações imprevisíveis nos componentes do

sistema estão presentes. Cabe salientar que, o regime de potência de saída determina

 parcialmente o custo, o peso e a dimensão de um sistema de controle. O número de

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componentes usados em um sistema de controle em malha fechada é maior do que o

de um correspondente sistema de controle em malha aberta. Assim, o sistema de

controle em malha fechada é geralmente de custo e potência maior para poder

conportar esta capacidade de ajuste de erro.

Para diminuir a potência de um sistema, o controle em malha aberta pode ser

usado onde a aplicabilidade for possível e viável. Uma combinação adequada de

controles em malha aberta e em malha fechada é usualmente menos dispendiosa e dará

desempenho satisfatório ao sistema global, não onerando o projeto de controle. É claro

que nem sempre isto é viável e conveniente, deve-se estabelecer a real aplicação e

necessidade do sistema.

2.2 Modelagem matemática de controle de processos

 Nos estudos que abordam sistemas de controle, deve-se ter capacidade de

modelar sistemas dinâmicos e de analisar características dinâmicas. Em um sistema

dinâmico, a modelagem matemática é definida como um conjunto de equações que

representam a dinâmica do sistema com precisão, ou pelo menos, de uma forma

 bastante aceitável. Observa-se que um modelo matemático não é único para um

determinado sistema, pois o mesmo pode ser representado de várias maneiras

diferentes, no entanto, pode haver muitos modelos matemáticos, dependendo da

 perspectiva considerada.

A dinâmica de muitos sistemas sejam eles mecânicos, elétricos, térmicos,

econômicos, biológicos etc., podem ser descritivas em termos de equações

diferenciais. Essas equações podem ser obtidas utilizando-se as leis físicas que

governam um determinado sistema particular, como por exemplo as leis de  Newton 

dos sistemas mecânicos e as leis de  Kirchhoff   dos sistemas elétricos. Devemos ter

sempre em mente que a obtenção de um modelo matemático aceitável é a parte mais

importante de toda a análise.

Os modelos matemáticos podem assumir várias formas diferentes. Essas

formas dependem do sistema que é alvo de interesse e das circunstâncias particulares,

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um modelo matemático pode ser mais adequado do que outro. Por exemplo, em

 problemas de controle ótimo, é vantajoso usar representações no espaço de estados

(OGATA, 2000). Por outro lado, para a análise de resposta transitória ou de resposta

de freqüência de sistemas monovariáveis (a uma entrada e uma saída), lineares e

invariantes no tempo, a representação através de função de transferência pode ser mais

conveniente do que qualquer outra. Uma vez obtido um modelo matemático de um

sistema, várias ferramentas analíticas e de computador podem ser usadas para fins de

análise e de síntese.

A simplicidade e a precisão de um modelo matemático estão diretamente

relacionadas, por isso um modelo matemático pode ter sua precisão melhorada, só que para isso é necessário aumentar a sua complexidade. Em alguns casos, são incluídos

centenas de equações para descrever um sistema completo. Na obtenção de um modelo

matemático, no entanto, deve ser estabelecido um compromisso entre a simplicidade

de um determinado modelo e a precisão dos resultados da análise. Portanto, quando

não for necessário um resultado muito preciso, é preferível obter apenas um modelo

razoavelmente simplificado. Com efeito, fica-se geralmente satisfeito com a obtenção

de um modelo matemático adequado ao problema em consideração. No entanto, deve-

se notar que os resultados obtidos da análise são válidos somente na medida em que o

modelo aproxima o comportamento real de um determinado sistema dinâmico.

 Na obtenção de um modelo matemático simplificado, se torna necessário

ignorar algumas propriedades físicas inerentes ao sistema. Em particular, se deseja

obter um modelo matemático linear a parâmetros concentrados, será sempre necessário

ignorar certas não-linearidades e a influência de parâmetros distribuídos que possam

estar presentes no sistema físico. Se os efeitos destas propriedades ignoradas sobre a

resposta forem pequenos, será alcançada uma concordância entre os resultados da

análise do modelo matemático e os resultados do estudo experimental do sistema

físico.

 Na solução de um novo problema, é considerado desejável primeiramente

construir um modelo simplificado para adquirir um conhecimento básico e geral para

uma determinada solução. Posteriormente, poderá ser elaborado um modelo

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matemático mais completo a fim de que possa ser utilizado para uma análise mais

detalhada.

Um sistema pode ser chamado de linear se a ele se aplica o princípio da

superposição, que estabelece que a resposta produzida pela aplicação simultânea de

duas excitações diferentes é igual à soma das duas respostas individuais a cada uma

delas. Isto significa que para os sistemas lineares, a resposta a várias entradas pode ser

calculada considerando-se uma entrada de cada vez desde que os resultados sejam

somados (OGATA, 2000).

Tal princípio que permite a construção de soluções complicadas para

equações diferenciais lineares a partir de soluções mais simples. Os sistemas linearestambém podem ser classificados como variantes e invariantes no tempo. Uma equação

diferencial é linear se os coeficientes forem constantes ou funções apenas da variável

independente. Sistemas dinâmicos que são compostos de componentes lineares a

 parâmetros concentrados e invariantes no tempo podem ser descritos por equações

diferenciais lineares e invariantes no tempo.

Os sistemas representados por equações diferenciais cujos coeficientes sejam

funções do tempo são chamados sistemas lineares variáveis no tempo (OGATA,

2000). Um exemplo de um sistema de controle variável no tempo é um sistema de

controle de um navio, pois a sua massa varia devido ao consumo de combustível.

Um sistema é não-linear quando não é possível aplicar o princípio da

superposição. Embora muitas relações físicas sejam representadas freqüentemente por

equações lineares, na maioria dos casos as relações reais não são exatamente lineares.

Uma análise detalhada de sistemas físicos mostra que mesmo os chamados

"sistemas lineares" são realmente lineares apenas em faixas limitadas de operação. Na

 prática, muitos sistemas eletromecânicos, hidráulicos, pneumáticos etc., envolvem

relações não-lineares entre as variáveis. Por exemplo, a saída de um componente pode

saturar para sinais grandes na entrada. Não-linearidades do tipo lei quadrática podem

ocorrer em alguns componentes.

 Note-se que alguns sistemas de controle importantes são não-lineares

independentemente dos valores dos sinais de entrada. Por exemplo, em sistemas de

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controle liga-desliga (on-off). A ação de controle ou é liga ou é desliga, e não há uma

relação linear entre a entrada e a saída do controlador. Um exemplo prático desses

sistemas são os sistemas de refrigeração utilizados em geladeiras, onde, quando o

mesmo está ligado, fica resfriando o interior da geladeira e quando está desligado,

interrompe o resfriamento, apenas o mantendo na sua temperatura atual por algum

tempo.

Os procedimentos para determinar as soluções de problemas envolvendo

sistemas não-lineares são, em geral, extremamente complicados. Devido a esta

dificuldade matemática inerente aos sistemas não-lineares torna-se normalmente

necessário introduzir sistemas lineares "equivalentes" em substituição aos não-lineares. Estes sistemas lineares equivalentes são válidos apenas dentro de uma faixa

limitada de operação. Uma vez que um sistema não-linear seja aproximado por um

modelo matemático linear, várias ferramentas lineares podem ser aplicadas para fins

de análise e projeto.

Independente do modelo matemático de um processo, tais modelos não

descrevem como são as características funcionais, mecânicas (montagem da estrutura),

sensores, instrumentação, componentes de controle e como tal interligação ocorre na

 prática. Isto quer dizer que o modo como o controle será realizado, deve ser descrito

através de representações clássicas, mostrando não somente o comportamento

dinâmico do sistema (modelo matemático), mas deve sim ser representado através de

diagramas que permitam a identificação dos elementos no problema a ser controlado.

É preciso também que o modelo matemático permita identificar uma estratégia de

controle a ser empregada, baseada no comportamento dinâmico do sistema e quais os

elementos que serão inseridos para realização do controle.

Esta representação do sistema será feita através do conceito de função de

transferência, onde o sistema será identificado através de um diagrama de blocos e a

estratégia de controle a ser aplicada será definida através da análise de métodos de

resolução das equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. Para tal, serão

apresentados a seguir, os conceitos de função de transferência, diagrama de blocos e

um método de solução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo. O

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método a ser aplicado na resolução das equações é o método de  Laplace, por

incorporar as condições iniciais na equação modelo, sendo portanto desnecessário o

cálculo das constantes de integração.

2.2.1 Função de transferência

Em teoria de controle, as funções ditas funções de transferência são

comumente usadas para caracterizar as relações de entrada-saída de componentes ou

sistemas que podem ser descritos por equações diferenciais lineares invariantes no

tempo.

O conceito de  função de transferência de um sistema representado por

equações diferenciais lineares invariantes no tempo é definida como a relação entre a

transformada de  Laplace  do sinal de saída (função resposta) e a transformada de

 Laplace do sinal de entrada (função excitação), na hipótese de que todas as condições

iniciais são nulas.

Função de Transferência =

 Entrada LSaida L

 sG   )(  com condições iniciais nulas. Eq. 1

Usando-se o conceito de função de transferência é possível representar a

dinâmica de sistemas por equações algébricas em  s. Se a mais alta potência de  s no

denominador da função de transferência for igual a n, o sistema é chamado sistema de

n-ésima ordem.

A aplicabilidade do conceito da função de transferência é limitada a

equações diferenciais lineares invariantes no tempo. O método das funções de

transferência, portanto, é amplamente usado na análise e no projeto de tais sistemas.

2.2.2 Diagrama de blocos

Um sistema de controle pode ser constituído por um certo número de

componentes. Em engenharia de controle, para mostrar as funções desempenhadas por

cada componente, costuma-se usar um diagrama chamado diagrama de blocos. Esta

seção explica o que é um diagrama de blocos, apresenta um método de obtenção dos

diagramas de blocos para sistemas físicos e, finalmente, discute técnicas para

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simplificar tais diagramas.

Um diagrama de blocos de um sistema é uma representação pictórica das

funções desempenhadas por cada um dos componentes e do fluxo de sinais entre eles.

Diferindo de uma representação matemática puramente abstrata, o diagrama de blocos

tem a vantagem de indicar mais realisticamente os fluxos de sinal do sistema real.

Em um diagrama de blocos, todas as variáveis do sistema são ligadas umas

às outras através de blocos funcionais. O bloco funcional ou simplesmente bloco é um

símbolo da operação matemática sobre o sinal de entrada do bloco que produz o sinal

de saída. As funções de transferência dos componentes são usualmente introduzidas

nos blocos correspondentes, que são conectados por setas para indicar o sentido dofluxo dos sinais.

A figura 1 mostra um elemento do diagrama de blocos. O segmento

orientado (seta) que aponta para o bloco indica o sinal de entrada, e o segmento

orientado que sai do bloco representa o sinal de saída. Tais setas são citadas como

 sinais.

FIGURA 1 - Elemento de um diagrama de blocos

As vantagens da representação por diagrama de blocos de um sistema

residem no fato de que é fácil formar o diagrama de blocos global do sistema como um

todo simplesmente conectando os blocos dos componentes de acordo com o fluxo do

sinal, e que é possível avaliar a contribuição de cada componente para o desempenho

global do sistema.

O diagrama de blocos de um sistema a malha fechada apresentado na figura

2 mostra um exemplo de diagrama de blocos de um sistema a malha fechada. A saída

C(s) retroage ao ponto de soma, onde é comparada com o sinal de entrada de

referência  R(s). A natureza de malha fechada do sistema está claramente indicada

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através da figura 2. O sinal de saída do bloco, C(s) neste caso, é obtido pela

multiplicação da função de transferência G(s)  pelo sinal de entrada no bloco,  E(s).

Qualquer sistema de controle linear pode ser representado por um diagrama de blocos

constituído por blocos, pontos de soma e pontos de junção.

Quando o sinal de saída retroage ao ponto de soma para comparação com a

entrada, é necessário converter sua natureza física na mesma natureza do sinal de

entrada. Por exemplo, em um sistema de controle de temperatura, o sinal de saída é

usualmente a temperatura controlada. O sinal de saída, que tem a dimensão de

temperatura, deve ser codificado como força, posição ou tensão elétrica, Esta

conversão é realizada pelo elemento de retroação cuja função de transferência é  H(s),conforme mostrado na figura 2.

FIGURA 2 - Sistema a malha fechada

O papel do elemento de retroação é modificar a natureza do sinal de saída

antes que este seja comparado com o sinal de entrada, na maioria dos casos, o

elemento de retroação é um sensor que mede o valor da grandeza de saída do processo

a controlar. O sinal de saída do sensor é comparado com o sinal de entrada, gerando-seo sinal de erro atuante. No presente exemplo, o sinal de retroação que retoma ao ponto

de soma para comparação com o sinal de entrada é B(s) = H(s)C(s).

Função de transferência à malha fechada. Para o sistema mostrado na figura

2, o sinal de saída C(s) e o sinal de entrada R(s) estão relacionados como se segue:

)()()(

)()()(

)()()(

 sC  s H  s R

 s B s R s E 

 s E  sG sC 

  Eq. 2

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Eliminando E(s) destas equações, obtêm-se

)]()()()[()(   sC  s H  s R sG sC     

ou

)()(1

)(

)(

)(

 s H  sG

 sG

 s R

 sC 

  Eq. 3

A função de transferência que relaciona C(s) a R(s) é denominada função de

transferência a malha fechada.

2.2.3 Resolução de equações diferenciais lineares e invariantes no tempo

O método da transformada de Laplace fornece a solução completa (soluçãocomplementar e solução particular) das equações diferenciais lineares e invariantes no

tempo. Os métodos clássicos para se achar a solução completa de uma equação

diferencial requerem o cálculo de constantes de integração a partir das condições

iniciais.

 No caso do método da transformada de Laplace, no entanto, este requisito é

desnecessário porque as condições iniciais são automaticamente incluídas na

transformada de Laplace da equação diferencial.

Se todas as condições iniciais forem consideradas nulas, então a

transformada de Laplace da equação diferencial é obtida simplesmente pela

substituição de d/dt por s, d2/dt2 por s2 e assim por diante.

 Na resolução das equações diferenciais lineares e invariantes no tempo pelo

método da transformada de Laplace são necessárias duas etapas:

1) Aplicando-se a transformada de Laplace a cada um dos membros da equaçãodiferencial, converter a equação diferencial numa equação algébrica em s

(aplicando a tabela de Laplace ou a integral de Laplace) e obter a expressão da

transformada de Laplace da variável dependente, rearranjando a equação

algébrica.

2)  A solução da equação diferencial em função do tempo é obtida achando-se a

transformada de Laplace inversa da variável dependente.

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Cabe salientar que a definição da transformada de Laplace é dada pela

integral de Laplace. Assim, seja uma função f(t) variável no tempo tal que seu valor

seja zero para qualquer tempo menor que zero e uma variável complexa s

representando o domínio da freqüência, a transformada de Laplace é a seguinte:

Laplace =

0)(   dt et  f     st    Eq. 4 

2.3 Conclusão

Todos os processos precisam de um sistema de controle, pois estes fazem

com que este processo tenha uma boa eficiência e cumpra todos os seus objetivos. Para

isso precisaram ser projetados de acordo com as necessidades do mesmo, assim

tiveram bom desempenho e resultados excelentes.

Os sistemas de controle são muito importantes, pois através deles consegue-

se um processo de boa qualidade, não somente no processo em si, mas também nos

seus resultados, através de produtos de qualidade, de suas conformidades e bom

desempenho através de produtos finalizados por tempo de trabalho.

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3 SISTEMAS ROBÓTICOS

 Neste capítulo são vistos os conceitos de robôs e os espaços de trabalho onde

eles atuam. Também são vistas as análises de desempenho de robôs através de suas

características de postura, flexibilidade e vários outros fatores que influenciam de ummodo geral para o uso de robôs na indústria.

3.1 Conceitos de robôs

Em muitas indústrias, existem trabalhos que são considerados complexos,

não somente no seu aspecto de desenvolvimento, mas também em outros fatores, como

 por exemplo, risco de morte, dificuldade de execução devido a temperaturas e outros

fatores relevantes.

A partir disso, surge a necessidade da implantação de robôs nestas indústrias.

São fatores importantes para a utilização de robôs: o custo de acordo com a sua vida

útil ao longo dos tempos é bem menor de que um operário, a melhora da produtividade

em determinadas aplicações, a melhora na qualidade dos produtos, a capacidade de

operar em ambientes hostis e com materiais perigosos, estes são apenas alguns dos

importantes fatores que influenciam a implantação de robôs nas indústrias.

Existem muitas definições diferentes de robôs, dependendo do ponto de vista

e geralmente da área em que se trabalha com os mesmos. Por exemplo, de um ponto de

vista científico, a definição se difere daquela dada de um ponto de vista industrial, que

também se difere àquela dada de um ponto de vista da teoria de controle.

Para se entender a definição de robôs, primeiramente tem-se que definir

alguns conceitos básicos, começando pelo conceito de máquina. Este conceito será

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focalizado do ponto de vista da utilidade, portanto, máquina é definida como qualquer

dispositivo capaz de transformar energia em trabalho útil . Essa energia pode ser

qualquer uma, sem distinção, como por exemplo, energia térmica, elétrica, solar,

nuclear, química, magnética e até a energia proveniente da força humana. Todos esses

tipos de energia podem ser quantificadas e expressadas através de uma unidade física

chamada Joule (PAZOS, 2002).

Também é possível classificar diferentes tipos de máquinas, focalizando

diversos pontos de vista, por exemplo, o tipo de energia empregada para gerar um

determinado trabalho, o que as dividiria em máquinas elétricas, térmicas, manuais, etc.

a classificação utilizada aqui é a origem da fonte de energia, ou seja, se a fonte deenergia for proveniente da força humana ou externa a ação do operador. Desta forma,

as máquinas serão divididas em automáticas e não automáticas ou manuais.

Por máquinas automáticas, entende-se aquelas que necessitam de forças

externas, como por exemplo, elétrica, térmica etc. e são os casos das máquinas

elétricas, de combustão, a vapor, entre outras fontes possíveis de energia. Já por

máquina não automática ou manual, pode-se entender aquela que necessita

constantemente do operador para a realização de um determinado trabalho (PAZOS,

2002).

Também, é possível fazer diversas classificações entre as máquinas

automáticas, de acordo com o tipo de energia, características construtivas, peso,

tamanho, etc. Aqui será estabelecida a seguinte classificação: as máquinas automáticas

serão divididas em programáveis e não programáveis. A máquina automática e não

 programável é aquela que ao receber a energia da fonte sempre efetua um trabalho

repetitivo, como por exemplo, a furadeira automática que só faz girar a broca. Já por

máquina automática programável entende-se aquela que depende de um certo grau de

instrução dada pelo operador, essa instrução é chamada de programa (PAZOS, 2002).

Desta forma, o conceito de robô é justamente o de uma máquina automática

 programável, que também pode ser classificada de acordo com as suas diferentes

utilidades (PAZOS, 2002). Ainda, de acordo com PAZOS (2002), uma definição que

supostamente é “oficial” do termo robô e que foi estabelecida pela Associação das

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Indústrias da Robótica (RIA), que diz o seguinte: “um robô industrial é um

manipulador reprogramável, multifuncional, projetado para mover matérias,

ferramentas ou dispositivos especiais em movimentos variáveis programados para a

realização de uma variedade de tarefas”. 

Uma definição mais completa é apresentada pela norma ISO 10218, como

sendo: “uma máquina manipuladora, com vários graus de liberdade, controlada

automaticamente, reprogramável, multifuncional que pode ter base fixa ou móvel para

utilização em aplicações de automação industrial” (ROMANO, 2002). 

Outro tipo de robô que deve ser levado em consideração é o robô móvel que

tem como característica principal a sua atuação de forma independente em termos demobilidade e de alimentação. Um exemplo ilustrativo desse tipo de robô foi a sonda

enviada à Marte, com fins de exploração, a  Mars Pathfinder . Porém o escopo deste

trabalho está relacionado à robôs industriais manipuladores.

FIGURA 3 - Robô industrial manipulador

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3.1.1 Histórico da robótica

As primeiras máquinas parecidas com o que hoje consideramos robô foram

construídas a aproximadamente três séculos atrás. Eram geralmente bonecos que os

reis gostavam de dar como presente, desenvolvidos por pessoas engenhosas.

 Normalmente faziam movimentos repetitivos que imitavam as atividades humanas

como tocar instrumentos musicais. Alguns foram projetados por Jaques Vancaunson

no século XVIII. Um mecanismo automatizado que substituía um ser humano em uma

tarefa específica e não tinha aspectos humanóide foi um tear desenvolvido pelo francês

Jacquard em 1801. Essa máquina tinha uma série de cartões perfurados onde as

 posições dos furos serviam de código para o traçado do tear correspondendo a um tipo

de textura para o tecido a cada conjunto de cartões que era processado, o que antes era

comandado por mãos humanas passou a receber comandos de cartões perfurado e a

funcionar independente.

Mas a origem da palavra robô foi introduzida pelo escritor tchecoeslovaco

Karel Capek em janeiro de 1921 em sua peça os robôs universais de Rossum  –  R.U.R.

( Rossum´s Universal Robots) durante a abertura em Praga. A peça abordava o aspectoda desumanização do homem na civilização tecnológica. Embora os robôs descritos

 por Capek fossem de natureza química e não mecânica, o termo passou a ser utilizado

como um padrão para a palavra robô. Palavra esta que deriva de outra palavra de

origem eslava, que significa trabalho forçado.

Um marco no projeto de mecanismos robotizado foi a invenção do

americano George Devol em 1946, um dispositivo controlador. O primeiro robô

industrial moderno foi construído pelo físico Joe Engelberger e George Devol no final

dos anos 50 e ficou como o marco da indústria da robótica. De lá para cá, temos

experimentado um crescimento rápido da robótica. Por ter sido o primeiro a

comercializar robôs, o físico Engelberger é considerado o pai da robótica (PAZOS,

2002).

Um fato muito importante que deve ser levado em consideração foi a

instalação do primeiro robô industrial que foi realizado pela Unimation Inc  e esse

 primeiro robô industrial foi denominado Unimate e foi instalado no chão-de-fábrica de

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uma empresa em 1961. Este robô era um teleoperador mestre-scravo e resultou da

combinação de mecanisms articulados e garras e a tecnologia de controle

desenvolvidas em máquina operatrizes com comando numérico. Desde então o

desenvolvimento tecnológico nas áreas de eletrônica digital, mecânica, ciência da

computação, materiais e logística da produção aumentaram a confiabilidade dos

componentes que envolvem os projetos de robôs e também a redução dos custos para

que esses robôs fossem implantados nas atividades industriais.

Alguns fatos relevantes são resumidos abaixo (ROMANO, 2002):

  1940 - Oak Ridge  e  Argonne National Labs  com manipuladores

mecânicos remotos para materiais radioativos.  1942 - ROBÓTICA: palavra inventada por Isaac Asimov, para denominar

a ciência que estuda robôs.

  1950 -  Handyman (General Electric) e  Minotaur   (General Mills) com

atuação elétrica e pneumática.

  1954 - George C. Devol : manipulador cuja operação podia ser

 programada (“programmed articulated transfer device”).

  1959 - Primeiro robô comercial ( Planet Corporation). Controlado por

chaves e cames.

  1960 - Primeiro robô Unimate. Usava comando numérico programável.

  1962 - H.A. Ernst : MH-1 - mão mecânica com sensores táteis, controlada

 por computador.

  1968 - Shakey: robô móvel desenvolvido no SRI (Stanford Research

 Institute).   1973 - WAVE: primeira linguagem de programação para robôs

  1976 - Robô T3 da Cincinnati Milacron controlado por computador.

  1982 - Robô RS-1 da IBM programado em linguagem AML.

  2000 - Milhares instalados em fábricas e usados para entretenimento.

  2001 - Robô humanóide da  Honda: capacidade de locomoção, visão,

olfato, tato e voz, conforme visto na figura 4.

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FIGURA 4 - Robô humanóide desenvolvido pela Honda 

3.1.2 Classes de robôs

Devido a várias diferenças em função de características e propriedades,

existem diversas classes de robôs que se diferenciam em suas aplicações e formas de

trabalhar.

A primeira classe de robôs que deve ser considerada é a classe dos robôs 

manipuladores, que em geral é um dispositivo eletromecânico que pode ser um carro

explorador, uma garra ou um braço mecânico, que tem a capacidade de repetir os

movimentos executados por um operador em um local remoto, como por exemplo, os

 braços mecânicos ou qualquer outro sistema que tem por objetivo deslocar algum tipo

de material de um ponto a outro ou acompanhando uma determinada trajetória dentro

de um volume de trabalho.

Outra classe a ser considerada é a dos robôs exploradores, ou seja, robôs que

tem por objetivo principal, explorar um determinado tipo de ambiente, que não

necessariamente precise ser uma superfície plana, inclusive, esses tipos de robôs

 podem ser dotados de sensores a fim de detectar como é o tipo de uma determinada

superfície, um exemplo disto é o robô que foi enviado a Marte a fim de verificar como

é a superfície daquele planeta.

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A terceira classe é a das máquinas-ferramentas, ou robôs que tem por

objetivo alterar ou processar um determinado tipo de matéria-prima. Podem ser citados

como exemplo disso os robôs soldadores, nos quais devem ser programados os

movimentos a serem feitos pela ponta de solda a fim de contornar as peças a serem

soldadas, as furadeiras com controle numérico, onde em seu programa estão

especificados os diâmetros e as coordenadas dos furos que serão realizados, os tornos

de controle numérico entre muitas ouras máquinas que são comuns na indústria,

 principalmente na área metalúrgica.

Também serão considerados outros tipos de robôs que não entram nas

definições anteriores como de uso geral. Um exemplo claro disso é um controlador detemperatura programável, que objetiva controlar a temperatura de um sistema ou

ambiente em um determinado nível, de acordo com um programa previamente

indicado ao controlador. Podemos observar que, segundo a especificação determinada

aqui, este controlador de temperatura é considerado um robô, mesmo que não realize

qualquer tipo de movimento (ROMANO, 2002).

3.1.3 Componentes básicos de um robô industrial

Os componentes básicos de um robô industrial são: o manipulador mecânico,

atuadores, sensores, unidade de controle, unidade de potência e efetuador conforme

figura 5 a seguir são descritos cada um dos componentes:

   Manipulador mecânico: os manipuladores mecânicos fazem referência ao

aspecto mecânico e estrutural de um robô e consiste na combinação de

elementos estruturais rígidos, conectados entre si através de articulações,sendo que o primeiro corpo é denominado base e o ultimo é denominado

extremidade terminal que é onde o efetuador é acoplado.

   Atuadores: os atuadores são componentes que convertem vários tipos de

energia, pode ser ela elétrica, hidráulica ou pneumática  em potência

mecânica, que é enviada aos elos através dos sistemas de transmissão

 para que assim esses elos possam se movimentar.

  Sensores: os sensores fornecem parâmetros sobre o comportamento dos

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manipuladores, sempre em termos de posição e velocidade dos elos em

função da interação do robô com o ambiente ao qual está interagindo,

esses parâmetros são enviados à unidade de controle. As juntas utilizadas

 para vincular os elos de um robô são normalmente acopladas a sensores.

  Unidade de controle: a unidade de controle responde pelo gerenciamento

e monitoração dos parâmetros operacionais requeridos para realizar as

tarefas do robô. Os comandos de movimentação enviados aos atuadores

são originados de controles de movimento que pode ser um CLP e é

 baseado em informações obtidas através de sensores.

Unidade de potência: a unidade de