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Sistemas de controle

Encontro em 02/05/2024

1. Resultados desejados​

1.1. Objetivos estabelecidos​

É um dos requisitos de um Engenheiro de Computação a capacidade de compreender como podemos controlar de forma precisa atuadores (e.g. fazer com que um motor gire exatamente 180 graus). O principal objetivo de aprendizagem deste encontro é a compreensão dos fenômenos e ferramentas matemáticas e computacionais envolvidas para que esse controle de atuadores seja possível.

Um objetivo secundário ligado ao projeto é perceber que o robô que eles utilizarão só é capaz de funcionar de forma controlada por causa da aplicação dos conceitos vistos nesse encontro.

1.2. Quais são as questões centrais do encontro?​

  1. Como eu posso fazer um sistema móvel (e.g. robô) se mover de forma precisa toda vez? O que significa um sistema ser controlado?
  2. O que é controle de malha aberta? E controle de malha fechada? Como esse conceito influencia na eficácia do controlador e no custo de implementação?
  3. Como eu posso modelar matematicamente o comportamento desses sistemas? Qual a relação disso com equações diferenciais e o domínio dos números complexos?
  4. O que exatamente um "controlador" faz? Ele tem dinâmica? Se sim, como essa dinâmica influencia no comportamento do sistema?
  5. Qual é a técnica de controle que vai me servir em praticamente todos os casos em que preciso controlar um sistema linear?
  6. Qual o papel de cada um dos termos do controlador PID? Como cada um deles influencia na dinâmica do sistema?
  7. Como definir o modelo matemático que rege o comportamento de um sistema dinâmico através de ensaios experimentais?

1.3. O que o aluno deve compreender?​

  • O aluno deve saber a diferença entre controle de malha aberta e malha fechada, elencar os prós e contras de cada tipo de controle e quando deve-se usar cada um;
  • O aluno deve compreender que os componentes básicos para fazer com que um sistema se movimente podem ser descritos matematicamente por equações dinâmicas;
  • O aluno deve entender o processo através do qual é possível compor sistemas dinâmicos complexos pela concatenação do comportamento dinâmico dos seus subsistemas e entender que a ferramenta matemática que permite esse tipo de composição de forma relativamente indolor é a transformada de Laplace;
  • O aluno deve entender que um controlador nada mais é do que um sistema dinâmico que atua na diferença entre o objetivo do sistema e o seu estado atual (em outras palavras, o erro). Essa compreensão é fundamental para construir a próxima compreensão;
  • O aluno deve compreender que ajustar um controlador pode ser um processo de tentativa e erro ou um algoritmo de otimização de parâmetros de uma equação matemática. Ser capaz de fazer a segunda opção é o que tipicamente separa um engenheiro de um hobbysta;
  • O aluno deve dominar de forma intuitiva os conceitos por trás do controlador PID e como cada um dos seus componentes influencia no comportamento do sistema. Com esse conhecimento;
  • O aluno deve entender que não existe um controlador perfeito, mas sim um controlador adequado. A resposta temporal de um sistema deve ser informada pelos requisitos de projeto, servindo como métrica de adequação do controlador; e, por fim
  • O aluno deve conhecer o processo através do qual é possível aproximar a equação dinâmica que rege um sistema através de ensaios com entradas conhecidas (e.g. função heaviside).

1.4. O que o aluno deve ser capaz de fazer?​

Uma pequena quebra de protocolo é conveniente aqui, pois a seguir será delineado aquilo que não se espera que o aluno seja capaz de fazer após apenas um encontro de sistemas de controle:

  • Não se espera que o aluno seja capaz de modelar sistemas complexos utilizando massas, molas e amortecedores; e
  • Não se espera que o aluno seja capaz de projetar um controlador do zero, utilizando ferramentas como lugar das raízes e otimizando os pólos e zeros de malha fechada do sistema;

O que se espera, na verdade, é um tanto mais singelo:

  • Espera-se que o aluno seja capaz de considerar aspectos de controle ao criar integrações com sistemas controlados;
  • Espera-se que o aluno seja capaz de inspecionar a resposta temporal de um sistema e ser capaz de discutir sobre a sua estabilidade; e
  • Espera-se que o aluno seja capaz de discutir sobre decisões básicas de controle tendo em vista os objetivos e recursos de projeto.

2. Evidências de aprendizado​

2.1. Evidências de desempenho​

Perguntas no padrão ENADE

Como esse é um conteúdo obrigatório para cursos de Engenharia de Computação, podemos contar com a régua de avaliação do ENADE para aferir se o conhecimento adquirido pelo aluno foi suficiente. O aluno deve conseguir compreender o contexto fornecido pelas perguntas nesse padrão e raciocinar sobre a resposta utilizando as ferramentas matemáticas que lhes foram fornecidas no decorrer do curso.

Questionários abertos em sala de aula

Muitas vezes é interessante medir a absorção do conteúdo em ambientes com menos pressão do que uma avaliação formal, para essa finalidade pode ser útil utilizar o ambiente de sala de aula para um debate aberto sobre perguntas relacionadas à sistemas de controle. Aqui é bastante importante estimular a participação de todos os alunos sem julgamento, mas sim correções oportunas.

Questões objetivas

A tomada de decisão a respeito de implementação de controladores pode ser avaliada através de cenários hipotéticos dispostos no formato de questões de multipla escolha com justificativa. Aqui vai ser possível verificar se o aluno é capaz de participar de forma ativa de construtiva da tomada de decisão na implementação de um sistema de controle.

2.2. Outras evidências​

3. Plano de aprendizagem​

Daily (0 - 15 min)

Discussão: apresentação das questões centrais (15 - 25 min)

O que significa um sistema ser controlado?

O professor irá discutir abertamente as questões centrais envolvidas no encontro, apresentando o problema de controle de sistemas de forma intuitiva.

Expositivo: sistemas de controle e o domínio dos complexos (25 - 50 min)

O que é controle de malha aberta e de malha fechada Como e por que modelar o comportamento de sistemas dinâmicos O que é um controlador? Ele tem dinâmica?

Contando com a exposição mais aprofundada dos autoestudos sobre o assunto, o professor deve contextualizar a próxima etapa da instrução utilizando alguns slides explicativos sobre o papel da transformada de Laplace na modelagem de sistemas e como um sistema de malha fechado pode ser representado no domínio dos complexos.

Atividade: interagindo com o PID (50 - 90 min)

  • Qual é a técnica de controle que vai me servir em praticamente todos os casos em que preciso controlar um sistema linear? *
  • Qual o papel de cada um dos termos do controlador PID? Como cada um deles influencia na dinâmica do sistema? *

Utilizando um simulador simplificado, os alunos devem interagir com cada componente do controlador PID e observar o comportamento do sistema quando um componente é adicionado ou tirado e quando uma constante aumenta ou diminui.

A atividade deve ser dividida em dois momentos:

  1. Interação com o PID (20 min)
  2. Discussão do que descobriu com o seu grupo (20 min)

*Atividade: discutindo as conclusões (90 - 110 min)

O professor guiará uma discussão em grupo sobre as conclusões do experimento sobre PID. As perguntas que guiarão o debate serão:

  • Qual é a técnica de controle que vai me servir em praticamente todos os casos em que preciso controlar um sistema linear? *
  • Qual o papel de cada um dos termos do controlador PID? Como cada um deles influencia na dinâmica do sistema? *

Expositivo: identificação de sistemas (110 - 120 min)

  • Como definir o modelo matemático que rege o comportamento de um sistema dinâmico através de ensaios experimentais? *

Para finalizar o material do encontro, o professor apresentará a resposta temporal padrão de sistemas de segunda ordem como uma forma de avaliar sistemas através de experimentação, sem precisar modelar precisamente o seu comportamento.

4. Slides​