Mecatronica: uma abordagem multidisciplinar (4a. ed.)

Autor(es): Bolton, William
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1. Introdução à Mecatrônica

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Introdução à Mecatrônica

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Explicar o significado que tem a mecatrônica e compreender a sua importância em projetos de engenharia.

• Explicar o significado de sistema e definir seus elementos de medida.

• Descrever as várias formas e elementos de sistemas de controle em malha fechada e malha aberta.

• Reconhecer a necessidade do modelamento de sistemas para poder prever o seu comportamento.

1.1 O que é mecatrônica?

O termo mecatrônica foi inventado por um engenheiro japonês em 1969 como uma combinação de meca, de mecanismos, e trônica, de eletrônica. Essa palavra agora tem um significado amplo, sendo usada para descrever uma filosofia da tecnologia de engenharia na qual existe uma integração coordenada e simultânea entre a engenharia mecânica, a eletrônica e o controle computacional inteligente no projeto e fabricação de produtos e processos. Como resultado, os produtos de mecatrônica têm muitas funções mecânicas desempenhadas por sistemas eletrônicos. Isto proporciona uma flexibilidade muito maior, facilidade de reprogramação e reprojeto e uma capacidade do sistema de realizar automaticamente o envio e a recepção de dados.

 

2. Sensores e Transdutores

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2.2 Terminologia para Definição de Desempenho

Este capítulo aborda os transdutores, e em particular os que são usados como sensores. A terminologia que é usada para especificar as curvas características de desempenho de transdutores é definida e são discutidos exemplos de transdutores normalmente usados em engenharia.

2.1.1 Sensores inteligentes

Alguns sensores também possuem no mesmo encapsulamento o circuito de condicionamento de sinal. Entretanto, este sensor integrado demanda ainda um processamento de dados adicional. É possível ainda encontrar um sensor que combina o circuito de condicionamento do sinal com um microprocessador no mesmo encapsulamento.

Este arranjo é denominado sensor inteligente. Este sensor pode ter funções como a capacidade de compensar erros aleatórios para se adaptar a mudanças no ambiente, fornecer um cálculo automático da precisão da medida, compensar não linearidade para que a saída seja linear, auto calibração e auto diagnóstico de defeitos.

Estes sensores têm um padrão próprio, IEEE 1451, de forma que, ao representar os sinais neste padrão, eles podem ser usados na forma plug-and-play, mantendo a comunicação de dados em uma forma padrão. A informação é armazenada na forma de uma TEDS (Transducer Electronic Datasheet – Folha de Dados Eletrônica do Transdutor), geralmente em uma EEPROM, identifica cada dispositivo e fornece os dados de calibração.

 

3. Condicionamento de Sinais

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Condicionamento de Sinais

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Explicar os requisitos para o condicionamento de sinais.

• Explicar como os amplificadores operacionais podem ser usados.

• Explicar os requisitos de proteção e filtragem.

• Explicar os princípios da ponte de Wheatstone e, em particular, como ela é usada com strain gauges.

• Explicar o princípio da modulação por pulso.

3.1 Condicionamento de sinais

O sinal de saída do sensor de um sistema de medição geralmente tem que ser processado de alguma forma para torná-lo adequado ao próximo estágio da operação.

O sinal pode ser, por exemplo, muito pequeno, necessitando ser amplificado, pode conter interferência que tem que ser removida, pode ser não linear e precisar ser linearizado, pode ser analógico e precisar ser digitalizado, pode ser digital e ter que ser transformado em analógico, pode ser uma variação de resistência e ter que ser transformado em uma variação de corrente, pode ser uma variação de tensão e ter que ser transformado em uma variação de corrente de amplitude adequada, etc. Todas estas transformações podem ser denominadas condicionamento de sinais. Por exemplo, a saída de um termopar é uma tensão pequena, de poucos milivolts. Um módulo de condicionamento de sinal pode então ser usado para converter este sinal em um sinal de corrente de amplitude adequada, com rejeição a ruído, linearização e compensação de junção fria (isto é, no caso da junção fria não estar em 0°C).

 

4. Sinais Digitais

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Mecatrônica

Por exemplo, o número decimal 15 é 20 + 21 + 22 + 23 = 1111 no sistema binário. Em um número binário, o bit da posição 0 é denominado de bit menos significativo

(LSB – Least Significant Bit) e o bit da posição de maior peso é o bit mais significativo (MSB – Most Significant Bit). Uma combinação de bits para representar um número é denominada palavra. Portanto, 1111 é uma palavra de 4 bits. Esta palavra pode ser usada para representar a amplitude de um sinal. O termo byte é usado para um grupo de 8 bits. Veja o Apêndice B para mais detalhes sobre números binários.

4.2 Sinais analógicos e digitais

Uma conversão analógico-digital envolve a conversão de sinais analógicos em palavras binárias. A Figura 4.1(a) mostra os elementos básicos de uma conversão analógico-digital.

A técnica usada envolve o uso de um sinal de clock que gera pulsos regularmente no tempo para o conversor analógico-digital (ADC – Analogue-to-Digital Converter), e a cada vez que ele recebe um pulso, faz a amostragem do sinal analógico.

 

5. Lógica Digital

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Lógica Digital

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Reconhecer os símbolos das portas lógicas AND, OR, NOT, NAND, NOR e EX-OR e usar estas portas em aplicações.

• Explicar como os flip-flops SR, JK e D podem ser usados em sistemas de controle.

• Explicar a operação de decodificadores e do temporizador 555.

5.1 Lógica digital

Muitos sistemas de controle referem-se a eventos em que algo é acionado ou desligado quando determinadas condições ocorrerem. Por exemplo, no caso de uma máquina de lavar doméstica, o aquecedor é ligado apenas quando houver água no tambor e ela estiver no nível determinado. Este controle envolve sinais digitais em que há apenas dois níveis possíveis para o sinal. Os circuitos digitais são a base dos computadores digitais e sistemas de controle microprocessados.

Com um controle digital podemos, por exemplo, ligar a entrada de água em uma máquina de lavar se a tampa estiver fechada e se um determinado momento do ciclo de operação for atingido. Neste caso, existirão dois sinais de entrada que podem ser sinais “sim” ou “não”. O controlador é programado para fornecer uma saída “sim” apenas se as duas entradas forem “sim”, ou seja, se as entradas A e

 

6. Sistemas de Apresentação de Dados

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Sistemas de Apresentação de Dados

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Explicar o problema do efeito de carga nos sistemas de medição.

• Identificar os elementos de apresentação de dados normalmente usados e descrever suas características.

• Explicar os princípios da gravação magnética e óptica.

• Explicar os princípios dos displays, em particular os de LED de sete segmentos e os de matriz de pontos.

• Descrever os elementos básicos dos sistemas de aquisição de dados e instrumentos virtuais.

6.1 Displays

Este capítulo aborda como os dados podem ser apresentados, por exemplo, como dígitos em um display de LEDs ou exibidos em uma tela de computador, e armazenados, por exemplo, em um disco rígido ou CD.

Os sistemas de medida consistem de três elementos: sensor, condicionador de sinal e display ou elemento de apresentação de dados (veja a Seção 1.4). Existe uma grande variedade de elementos que podem ser usados para a apresentação de dados.

Tradicionalmente eles são classificados em dois grupos: indicadores e gravadores.

 

7. Sistemas de Acionamento Pneumático e Hidráulico

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Sistemas de Acionamento

Pneumático e Hidráulico

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Interpretar os desenhos de sistemas hidráulicos/pneumáticos e projetar sistemas simples para controle sequencial usando válvulas de controle direcional e cilindros.

• Explicar os princípios das válvulas de controle de processos, suas características e dimensões.

7.1 Sistemas de acionamento

Os sistemas de acionamento são elementos dos sistemas de controle responsáveis pela transformação da saída de um microprocessador ou sistema de controle em uma ação de controle para uma máquina ou dispositivo. Portanto, por exemplo, podemos ter uma saída elétrica a partir de um controlador que tem que ser transformada em um movimento linear para deslocar uma carga. Outro exemplo pode ser a transformação de uma saída elétrica de um controlador em uma ação que controla a quantidade de líquido que passa em uma tubulação.

Neste capítulo estudaremos os sistemas de potência baseado em fluidos denominados sistemas de acionamento pneumático e hidráulico. O termo pneumático é usado em aplicações de ar comprimido, e o termo hidráulico em aplicações de líquido, tipicamente óleo. No Capítulo 8 estudaremos os sistemas mecânicos de acionamento, e no Capítulo 9, os sistemas elétricos de acionamento.

 

8. Sistemas de Acionamento Mecânico

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Sistemas de Acionamento

Mecânico

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Determinar os possíveis sistemas de atuação mecânica para transmissão de movimento linear para rotativo, rotativo para rotativo, rotativo para linear e transmissões de movimentos cíclicos.

• Avaliar a capacidade de articulações, cames, engrenagens, catraca e lingueta, transmissões por correia e corrente e rolamentos para sistemas de acionamento.

8.1 Sistemas mecânicos

Este capítulo aborda mecanismos: mecanismos são dispositivos que podem ser considerados conversores de movimentos que transformam movimentos de uma forma em outra desejada. Eles podem, por exemplo, transformar movimento linear em rotacional, ou o movimento em uma direção para uma direção perpendicular, ou talvez o movimento linear de alternância em movimento rotacional, como ocorre em um motor de combustão interna em que o movimento de alternância dos pistões

é convertido em rotação da manivela e, por sua vez, do eixo propulsor.

 

9. Sistemas de Acionamento Elétrico

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Sistemas de Acionamento

Elétrico

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Avaliar as características operacionais dos sistemas de acionamento elétrico: relés, chaves de estado sólido (tiristores, transistores bipolar e MOSFETs), solenoides, motores CC, motores CA e motores de passo.

• Explicar os princípios dos motores CC, incluindo os de ímã permanente, e como sua velocidade pode ser controlada.

• Explicar o princípio do motor CC de ímã permanente sem escovas.

• Explicar os princípios dos motores de passo de relutância variável, ímã permanente e híbrido, e como a sequência de passos pode ser gerada.

9.1 Sistemas elétricos

Qualquer estudo de sistemas elétricos usados como atuadores para controle deve incluir:

1 Dispositivos de comutação como chaves mecânicas, como por exemplo, relés, e chaves de estado sólido, entre as quais temos os diodos, tiristores e transistores, nos quais o sinal de controle liga ou desliga algum dispositivo elétrico, como, por exemplo, um aquecedor ou um motor.

 

10. Modelos de Sistemas Básicos

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10.2 Blocos Construtivos de Sistemas Mecânicos

exatamente proporcional à força e onde não podemos aplicar este modelo independentemente da amplitude da força, visto que grandes forças deformam permanentemente a mola, podendo quebrá-la, e isto o modelo simples não permite prevê.

A base para qualquer modelo matemático é fornecida pelas leis fundamentais da física que governam o comportamento do sistema. Neste capítulo, uma gama de sistemas será considerada, incluindo exemplos de sistemas mecânico, elétrico, térmico e fluídico.

Assim como uma criança constrói casas, carros, guindastes, etc. a partir de blocos construtivos básicos (blocos de montar que são encaixados uns nos outros), os sistemas podem ser construídos a partir de uma gama de blocos construtivos. Cada bloco construtivo é considerado como tendo uma propriedade ou função simples. Portanto, tomando um exemplo simples, um circuito elétrico pode ser feito a partir de blocos construtivos que representem os comportamentos de resistores, capacitores e indutores. O bloco construtivo resistor é considerado tendo a propriedade de uma resistência pura, assim como o capacitor como tendo capacitância pura e o indutor como tendo indutância pura. Combinando estes blocos de diferentes formas, podemos construir uma variedade de circuitos elétricos, com a relação entrada/saída do sistema obtida combinando-se de forma apropriada as relações dos blocos construtivos. Assim, podemos obter um modelo matemático para o sistema. Um sistema construído desta forma é denominado sistema de parâmetros concentrados. Isto porque cada parâmetro, ou seja, propriedade ou função, é considerado independentemente.

 

11. Modelos de Sistemas

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Modelos de Sistemas

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Projetar modelos para sistemas mecânico-hidráulico e eletromecânico rotacionaltranslacional.

• Linearizar relações não lineares para gerar modelos lineares.

11.1 Sistemas de engenharia

No Capítulo 10, os blocos construtivos básicos dos sistemas mecânico translacional, mecânico rotacional, elétrico, fluídico e térmico foram estudados separadamente.

Entretanto, muitos sistemas encontrados em engenharia envolvem aspectos de mais que uma destas disciplinas. Por exemplo, um motor elétrico envolve elementos elétricos e mecânicos. Este capítulo aborda como blocos construtivos de apenas uma

área de conhecimento podem ser combinados para produzir modelos e sistemas multidisciplinares, e também discute a questão de alguns componentes não serem lineares. Por exemplo, ao considerar uma mola, um modelo simples parte do princípio de que a força e a extensão são proporcionais, independentemente da intensidade da força. O modelo matemático pode ser então uma simplificação de uma mola real. Entretanto, os modelos não lineares são de manipulação muito mais difícil, de forma que os engenheiros procuram evitá-los, e um sistema não linear pode ser aproximado por um modelo linear.

 

12. Resposta Dinâmica de Sistemas

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Resposta Dinâmica de

Sistemas

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Modelar sistemas dinâmicos pelo método de equações diferenciais.

• Determinar as saídas de sistemas de primeira ordem a partir das entradas e também suas constantes de tempo.

• Determinar as saídas de sistemas de segunda ordem a partir das entradas e identificar as condições de subamortecido, criticamente amortecido e sobreamortecido.

• Descrever as características de resposta de um sistema de segunda ordem em termos do tempo de subida, overshoot, razão de amortecimento, decremento e tempo de acomodação.

12.1 Modelagem de sistemas dinâmicos

A função mais importante de um modelo idealizado para sistemas de controle ou medição é a capacidade de prever qual será a saída para uma determinada entrada.

Não estamos nos referindo a uma situação estática, ou seja, em que, após algum tempo, quando o estado estacionário for atingido, uma saída x corresponde a uma entrada y. Estamos considerando como a saída irá variar com o tempo quando houver uma variação na entrada ou quando a entrada varia com o tempo. Por exemplo, como a temperatura de um sistema com temperatura controlada varia com o tempo quando o termostato é ajustado para um novo valor de temperatura? Para um sistema de controle, como a saída varia com o tempo quando um novo valor é ajustado ou aumentado a uma taxa constante?

 

13. Funções de Transferência de Sistemas

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Funções de Transferência de Sistemas

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Definir a função transferência e determiná-la a partir das equações diferenciais de sistemas de primeira e segunda ordens.

• Determinar as funções de transferência para sistemas com malhas de realimentação.

• Determinar, usando transformadas de Laplace, a resposta de sistemas de primeira e segunda ordens para entradas simples.

• Determinar o efeito da localização dos polos na resposta dos sistemas.

13.1 Função de transferência

Para um sistema amplificador, é comum falar em ganho do amplificador. Isto informa o quanto o sinal de saída é maior do que o de entrada. Isto permite que a saída seja determinada para entradas específicas. Portanto, por exemplo, um amplificador com um ganho de tensão de 10 fornecerá, para uma entrada de tensão de 2 mV, uma saída de 20 mV; ou, se a entrada for 1 V, a saída será 10 V. O ganho informa a relação matemática entre a saída e a entrada do bloco. Podemos indicar quando um sinal está no domínio do tempo, ou seja, quando é uma função do tempo, escrevendo-o como f(t). Portanto, para uma entrada de y(t) e uma saída de x(t),

 

14. Resposta de Frequência

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14.2 Fasores

14.1.1 Resposta de um sistema a uma entrada senoidal

Considere um sistema de primeira ordem o qual é descrito pela seguinte equação diferencial

em que y é a entrada e x é a saída. Suponha que temos uma entrada senoidal de amplitude unitária y = sen vt. Qual será a saída? Acabamos obtendo a senoide b 0 sen vt quando somamos a1 dx > dt e a 0 x. Porém senoides têm a propriedade de que, quando derivadas, o resultado também é uma senoide e com a mesma frequência (um coseno é uma senoide da forma sen(vt + 90º)). Isto se aplica não importa quantas vezes realizamos a derivada. Portanto, esperamos que a resposta de estado estacionário x será senoidal e com a mesma frequência. Entretanto, a saída pode ser diferente em amplitude e fase em relação à entrada.

14.2 Fasores

Na análise de sinais senoidais, é conveniente o uso de fasores. Considere uma senoide descrita pela equação v = V sen(vt + f), em que V é a amplitude, v é a frequência angular e f é o ângulo de fase. O fasor pode ser representado por uma linha de comprimento |V| que faz um ângulo f com o eixo de referência do fasor (Figura

 

15. Controladores em Malha Fechada

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Controladores em Malha

Fechada

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Explicar o termo erro de estado estacionário.

• Explicar a operação do modo de controle on/off.

• Prever o comportamento de sistemas com os controles proporcional (P), integral (I), derivativo (D), proporcional mais integral (PI), proporcional mais derivado (PD) e PID.

• Descrever como funcionam os controladores digitais.

• Explicar como os controladores podem ser sintonizados.

15.1 Processos de controle contínuo e discreto

O controle em malha aberta é muitas vezes apenas um controle do tipo on/off

(liga/desliga), como, por exemplo, um aquecedor elétrico que é ligado ou desligado para aquecer um ambiente. No caso dos sistemas de controle em malha fechada, é usado um controlador para comparar continuamente a saída de um sistema com a condição desejada e converter o erro em uma ação de controle com a finalidade de reduzir o erro. O erro pode aumentar como resultado de alguma alteração nas condições do sistema controlado ou por causa de uma mudança no valor desejado, ou seja, um degrau na entrada muda o valor desejado para o sistema de um nível para outro. Neste capítulo vamos nos ater às formas nas quais os controladores podem reagir aos sinais de erro, ou seja, os modos de controle, como são denominados, que ocorrem em processos contínuos. Estes controladores podem, por exemplo, ser sistemas pneumáticos ou com amplificadores operacionais. Entretanto, os sistemas de computador estão substituindo rapidamente muitos deles.

 

16. Inteligência Artificial

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Inteligência Artificial

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Explicar qual é o significado de máquina inteligente e as capacidades destas máquinas.

• Explicar o significado de redes neurais e a importância delas no reconhecimento de padrões.

• Explicar o termo lógica fuzzy.

16.1 Qual é o significado de inteligência artificial?

O que constitui uma máquina inteligente? Uma definição de um dicionário para a palavra “inteligente” poderia ser “dotado da habilidade da razão”. Quanto mais inteligente uma pessoa é, mais a consideramos capaz de aprender, generalizar a partir deste conhecimento adquirido, capaz de raciocinar e deduzir considerando as possibilidades, aprendendo a partir dos erros. Podemos aplicar os mesmos critérios para um máquina: uma máquina inteligente é aquela que é dotada da habilidade da razão.

Um sistema de aquecimento central toma decisões dentro de sua capacidade de operação. Por exemplo, a caldeira deve ser ligada ou desligada como um resultado da informação de um termostato? Entretanto, este procedimento não é considerado resultado de inteligência porque a máquina não é capaz de raciocinar e tomar decisão entre uma ampla gama de condições. Por exemplo, ela não pode reconhecer um padrão de entrada a partir de um termostato e, assim, fazer previsões a respeito do clima para ligar ou desligar a caldeira. Ela apenas faz o que é determinado que seja feito. Ela não “pensa por conta própria”.

 

17. Microprocessadores

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Microprocessadores

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo, o leitor deverá ser capaz de:

• Descrever a estrutura básica de um sistema microprocessado.

• Descrever a arquitetura de microprocessadores comuns e como eles podem ser incorporados em sistemas microprocessados.

• Descrever a estrutura básica de microcontroladores e como os seus registradores podem ser configurados para executar tarefas.

• Explicar como os programas podem ser desenvolvidos usando-se fluxogramas e pseudocódigo.

17.1 Controle

Se analisarmos um simples problema de controle, como, por exemplo, o sequenciamento das luzes vermelha, amarela e verde de um semáforo em um cruzamento, é possível que resolvamos o problema usando um sistema de controle eletrônico que envolve circuitos integrados de lógica combinacional e sequencial. Entretanto, para uma situação mais complexa haverá muito mais variáveis para controlar em uma sequência de controle mais complexa. A solução mais simples neste caso não seria a construção de um sistema baseado em conexões de circuitos integrados de lógica combinacional e sequencial, mas o uso de um microprocessador associado a um software para fazer as “interconexões”.

 

18. Linguagem Assembly

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Linguagem Assembly

OBJETIVOS

Ao final do estudo deste capítulo o leitor deverá ser capaz de:

• Usar a linguagem assembly para escrever programas envolvendo transferência de dados, operações aritméticas e lógicas, saltos, desvios, sub-rotinas, atrasos de tempo e listagens (LTU – look-up table).

18.1 Linguagens

Software é o termo usado para as instruções que “dizem” ao microprocessador ou microcontrolador o que fazer. A coleção de instruções que um microprocessador reconhece é o seu conjunto de instruções. A forma deste conjunto de instruções varia de um microprocessador para outro. A série de instruções usadas para executar uma tarefa em particular é denominada programa.

Os microprocessadores operam com código binário. As instruções escritas em código binário são denominadas código de máquina. Escrever um programa neste código é um processo muito especializado e enfadonho. Ele é propenso a erros porque o programa é constituído apenas de uma sequência de zeros e uns e as instruções não são facilmente interpretadas apenas olhando-se o código. Uma alternativa é o uso compreensivelmente mais fácil de um código compacto para os padrões de zeros e uns. Por exemplo, a operação da soma de um dado com o acumulador pode ser representada apenas por ADDA. Este código abreviado é denominado código mnemônico, e é mais fácil de memorizar. O termo linguagem assembly é usado para este código. Escrever um programa usando mnemônicos

 

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