Parte 1 - Sistemas realimentados e o controle em malha fechada

A presente matéria, elaborada com informações retiradas do livro “Controle Integrado do Motor”, tem por objetivo apresentar os fundamentos do controle em “malha fechada” de sistemas eletromecânicos. Nesta primeira parte, serão abordados os conceitos de controle eletrônico e de realimentação. Ainda sendo uma reedição do tema, abordado em edições anteriores e com uma grande carga teórica, consideramos que a compreensão dos referidos conceitos teóricos, é de fundamental importância no entendimento do funcionamento dos diversos sistemas de eletrônica embarcada. Basta mencionar que praticamente, todos os sistemas atualmente implantados no veículo, operam em malha fechada. A experiência tem demonstrado que muitos erros de diagnóstico (e que resultam em reparos duvidosos) se devem ao desconhecimento dos referidos conceitos.

A segunda parte da matéria abordará as aplicações mais significativas, relacionadas com o controle do motor.

Noções de Controle Eletrônico

Os conceitos apresentados a seguir são gerais e, portanto, podem ser aplicados a qualquer sistema de eletrônica embarcada, seja ele de injeção/ignição, ABS, transmissão automática eletrônica, etc.

Os sistemas de controle eletrônico são utilizados no gerenciamento da operação de um outro sistema, este último denominado de sistema controlado.

Aplicando este conceito aos sistemas de injeção de combustível, podemos dizer que o motor é o sistema controlado, e a unidade de comando, é o controlador ou sistema de controle eletrônico.

O objetivo do projetista do controlador é melhorar o desempenho do sistema controlado, a partir dos parâmetros ou variáveis de entrada, com o objetivo obter os resultados desejados. No caso do motor, a unidade de comando regula a mistura ar/combustível (entre outras variáveis), para obter o melhor desempenho com o mínimo de emissões.

Os seguintes são requisitos fundamentais de todo controlador:

a) Cumprir sua função com adequada precisão

b) Compensar rapidamente as perturbações que afetam o bom funcionamento do sistema

c) Ser estável, ou seja, não oscilar

d) Ser imune a perturbações externas

e) Ser confiável ao longo da sua vida útil

Sistemas de Controle Eletrônico

Todo sistema de controle atua sobre um conjunto de elementos controlados (o sistema controlado), através de uma unidade de comando ou simplesmente, controlador.

Assim, no caso dos sistemas de controle integrado do motor:

- O motor é o sistema controlado

- A unidade de comando (UC) é o controlador eletrônico. Basicamente, controla a injeção de combustível, tanto em ciclo Otto como em Diesel, o avanço da ignição, em ciclo Otto e o avanço da injeção no Diesel.

Neste caso, para desempenhar corretamente a função de controle, a UC deve conhecer, a todo instante, o estado de funcionamento do motor, determinado pelos valores dos denominados parâmetros ou variáveis de entrada.

Entre eles: Temperatura do motor, posição da borboleta, pressão de coletor, rotação, massa de ar admitido, ou um conjunto de informações que permitam calcular tal massa.

Os principais elementos e funções controlados pela unidade de comando são: Injeção de combustível, rotação da marcha lenta, avanço da ignição, avanço da injeção (ciclo Diesel), dispositivos auxiliares de controle de emissões (válvula EGR, válvula de purga do canister).

São os “sensores”, os elementos que medem os valores das variáveis de entrada. A unidade de comando, por sua vez, processa as informações recebidas e atua sobre os dispositivos que determinam o funcionamento do motor. Estes dispositivos são os “atuadores”, encarregados de executar os comandos.

Os sistemas de controle ainda podem ser de dois tipos: Realimentados e Não-realimentados. A importância deste fato se deve a que os sistemas de controle realimentados são os únicos que podem funcionar em malha fechada. Os não-realimentados só podem funcionar em malha aberta.

Realimentação e Sistemas Realimentados

O conceito de “realimentação” é de fundamental importância para o entendimento do funcionamento em malha fechada. Os sistemas que assim funcionam denominam-se “sistemas realimentados”.

A principal característica dos sistemas realimentados é que o controlador conhece o resultado da sua ação, ou seja, conhece, a todo instante, o estado das variáveis de entrada e o estado da saída do sistema controlado, isto último, devido a que há uma “realimentação” do valor da saída para a entrada. Quando a saída não corresponde com o resultado esperado, o controlador atua sobre algum dos parâmetros de funcionamento do sistema controlado, no sentido de retornar à condição desejada.

De uma outra forma, os sistemas realimentados são aqueles em que o controlador compara o sinal de ajuste (desejado) com o sinal realimentado, que reflete o estado do dispositivo controlado, com o objetivo de que a diferença entre ambos seja nula ou pelo menos, a menor possível.

O sistema (simplificado) eletromecânico de direção de um navio do tipo “drive-by-wire”(fig.[1]) serve como exemplo de aplicação do conceito de realimentação.

Nele, a posição do leme é determinada por um motor (atuador) e mecanismo redutor, comandado por um controlador eletrônico que recebe sinais: 1) do sensor de posição do leme (sinal realimentado) que reflete o estado do leme, e 2) do sensor de posição do timão (sinal de controle ou de ajuste) que reflete a posição desejada.

A função do controlador, que compara constantemente es-ses sinais, é a de comandar o motor de acionamento do leme até conseguir que a diferença en-tre eles seja nula ou a menor possível. Nesse momento, o leme estará na po-sição desejada.

Qualquer modifica-ção na posição do timão implicará na modificação do si-nal de ajuste 2 (controle) e conseqüentemente, no ângulo do leme, o qual “segue” constantemente, o primeiro.

Este é um exemplo de sistema de controle realimentado funcionando em “malha fechada”. Pelo fato de não existir nenhuma ligação mecânica entre o timão e o leme, qualquer falha nos sinais ou sensores impede o funcionamento. Ou seja, o sistema deve funcionar obrigatoriamente, em malha fechada.

A figura [2] mostra um outro exemplo de sistema realimentado que pode funcionar tanto em malha fechada como em malha aberta.

Corresponde a um sistema de ar condicionado automático, o qual mantém a temperatura ambiente, no valor ajustado pelo usuário.

Com esse objetivo, o controlador recebe o sinal do sensor de temperatura (sinal de realimentação) que informa a do ambiente. Por outro lado, recebe o sinal de temperatura (sinal de ajuste) determinado, no exemplo, pelo usuário, através do painel frontal. A variável controlada é a temperatura ambiente, a qual é mantida dentro da faixa de ajuste (por exemplo, 24oC mais ou menos 1oC) ativando/desativando o compressor.

A figura [3] mostra o diagrama em blocos do sistema, onde fica evidente que o sinal da variável de saída (a temperatura ambiente) é “realimentado” na entrada, onde é comparado com o valor de ajuste.

Quando a temperatura ambiente é superior ao limite superior de ajuste (25oC), o controlador aciona o compressor. Na situação oposta (inferior a 23oC), o desativa.

Operando da forma descrita, o sistema funciona em “malha fechada” ou “circuito fechado”.

Caso o sistema não utilize sensor de temperatura ambiente, ou o sensor de temperatura ou o seu circuito, estiverem com defeito, o sistema funcionará em “malha aberta”. Seria o usuário quem deveria fazer o “sensoriamento” da temperatura ambiente e ativar ou desativar o compressor manualmente. Neste caso, é o usuário quem “fecha” a malha.