Instrumentação e Controlo

N/A         

Ensino teórico e teórico-prático com suporte informático, ensino teórico-prático com discussão, ensino laboratorial com suporte informático, aprendizagem em grupo, brainstorming. 

Consciencializar os alunos da importância que os métodos experimentais podem ter na resolução dos problemas de engenharia e proporcionar formação que permita operar, configurar e selecionar sistemas de medida.
Fomentar o desenvolvimento de novas competências associadas ao trabalho experimental, nomeadamente a identificação de problemas, a planificação das montagens, a análise e a síntese da informação.
Transmitir aos alunos conceitos fundamentais sobre a teoria de controlo de sistemas.
Aplicar os conhecimentos adquiridos na resolução de exercícios teórico-práticos e de diversos trabalhos laboratoriais.
Desenvolver e implementar sistemas de aquisição e tratamento automático de dados provenientes de diferentes tipos de instrumentação, bem como analisar e projetar sistemas de controlo.

Módulo de Instrumentação

1. Aplicações dos sistemas de medida
Introdução. Monitorização de processos. Controlo de operações e processos. Investigação e desenvolvimento.
2. Descrição funcional de sistemas de medida e definições gerais
Introdução. Modos de operação analógico e digital. Relações entre sinais de entrada e de saída em sistemas de medida.
3. Características estáticas de sistemas de medida
Calibração. Método dos mínimos quadrados. Exatidão, precisão e erro sistemático. Sensibilidade, linearidade e estabilidade. Campo de medida, limiar de medida e resolução. Rastreabilidade. Causas e tipos de erros experimentais. Análise de incerteza. Critério de Chauvenet. Combinação de erros num sistema de medida. Problema direto e inverso.
4. Características dinâmicas de sistemas de medida
Modelo matemático generalizado da resposta de um sistema de medida. Sistemas de ordem zero. Caracterização dos sistemas de ordem zero (sensibilidade estática). Sistemas de primeira ordem. Caracterização dos sistemas de primeira ordem (sensibilidade estática e constante de tempo). Sistemas de Segunda ordem. Resposta a sinais de entrada do tipo função degrau, rampa e sinusoide. Tempos característicos na resposta dinâmica de sistemas de medida. Constante de tempo, tempo de estabelecimento, tempo de crescimento.
5. Grandezas térmicas
Unidades. Métodos de medição: Dilatação de líquidos. Elementos bimetálicos. Gás a volume constante. Termómetros de pressão. Termo resistências. Termístores. Métodos radiativos: fundamentos de radiação, detetores de radiação, pirómetros óticos, termografia de infravermelhos. Medidores de fluxo de calor.
6. Grandezas cinemáticas
Introdução. Grandezas e normas fundamentais. Medição de deslocamentos: potenciómetros resistivos, extensómetros elétricos, sensores indutivos, sensores capacitivos, efeito de Hall, transformadores variáveis (LVDTs), codificadores (tacómetros, incrementais e absolutos), sensores de ultrassons, sensores de infravermelhos, métodos óticos. Medição de velocidade: diferenciação dos deslocamentos, tacómetros, métodos estroboscópicos, geradores AC e DC, contadores de impulsos óticos e magnéticos, sensores de velocidade angular do tipo “Flyball” e “Drag-cup”. Medição de aceleração: acelerómetros (piezorresistivos, piezoelétricos, com extensómetros, de relutância variável, LVDTs).
7. Força, binário e potência
Normas e unidades. Métodos básicos de medição de força. Transdutores elásticos. Células de carga com extensómetros, piezoelétricas, piezorresistivas, de relutância variável, com LVDTs. Células multicomponentes. Medição de binário em veios de rotação. Medição de potência mecânica.
8. Pressão
Unidades. Escalas absolutas e relativas. Pressão estática e dinâmica. Calibração estática de transdutores de pressão. Manómetros. Tubo de Bourdon. Manómetro de diafragma, de fole, de cápsulas, de cilindro. Transdutores piezoelétricos. Pressóstatos. Especificações genéricas.
9. Velocidade de escoamentos
Sondas de pressão: tubo de Pitot-Prandtl, sondas direcionais multifuros. Anemometria de fio/filme quente. Velocimetria laser de efeito Doppler (LDA).
10. Medidores de caudal
Medidores de perda de carga variável (orifícios, bocais, tubos de Venturi). Tubo de Pitot de média. Rotâmetros. Medidores de deslocamento positivo, de turbina, eletromagnéticos, de ultrassons, de geradores de vórtices, de força de arrasto. Medidores de caudal mássico.

Módulo de Controlo

1. Fundamentos matemáticos necessários
Transformada direta e inversa de Laplace.
Resolução de equações diferenciais.
Funções de transferência.
Diagramas de blocos. Malha aberta. Malha fechada. Malha fechada com perturbação. Álgebra de diagramas de blocos. Redução de diagramas de blocos. Anéis sem interligação, com interligação e com várias entradas.
2. Introdução aos sistemas de controlo
Definições e exemplos.
Sistema de controlo em malha aberta e perturbações, sistema de controlo em malha fechada. Malha aberta vs. Malha fechada.
3. Análise de respostas temporais
Sistemas de 1ª ordem. Resposta a uma entrada em degrau unitário, em impulso unitário e em rampa unitária.
Sistemas de 2ª ordem. Coeficiente de amortecimento e frequência natural. Localização das raízes no plano complexo.
Especificações da resposta de um sistema de 2ª ordem a uma entrada a degrau unitário.
4. Ações básicas de controlo
Ações de controlo proporcional (P), proporcional e integral (PI), proporcional e derivativa (PD) e proporcional, integral e derivativa (PID).
5. Modelação matemática de sistemas físicos
Tipos de sistemas de controlo. Sistemas de controlo lineares variantes e invariantes no tempo.
Sistemas mecânicos de translação; Sistemas mecânicos de rotação; Sistemas de controlo de nível; Sistemas térmicos.
6. Estabilidade de sistemas lineares
Métodos para determinar a estabilidade. Critério de Estabilidade de Routh.
7. Análise de erros
Análise de erros em regime estacionário.
8. Análise e construção de sistemas de controlo usando Matlab/Simulink.
9. Exemplos de aplicação, com especial ênfase para sistemas relacionados com as áreas de especialização.

NAO

Módulo de Instrumentação

Bibliografia Recomendada:
• Diapositivos em Power Point das aulas (disponível na plataforma académica InforEstudante)
• DOEBELIN, E. O. (1990). Measurement Systems: application and design (4ª ed.). McGraw Hill (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-282)
• HOLMAN, J. P. (1989). Experimental Methods for Engineers (5ª ed.) McGraw Hill (disponível na Biblioteca do ISEC: 4-6-80)
• SILVA, G. (2004). Instrumentação Industrial. Escola Superior de Tecnologia de Setúbal (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-320 e 1-6-321)

Bibliografia Complementar:
• GUEDES, P. (2011). Metrologia Industrial. ETEP

Módulo de Controlo

Bibliografia Recomendada:
• Diapositivos em Power Point das aulas (disponível na plataforma académica InforEstudante)
• OGATA, K. (1997). Engenharia de Controle Moderno (4ª ed.). Pearson/Prentice Hall do Brasil. (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-231)
• BISHOP, R. (1997). Modern Control Systems Analysis and Design Using Matlab and Simulink. Addison-Wesley. (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-138)
• LEONARD, N. & LEVINE, W. (1995). Using Matlab to Analyze and Design Control Systems, Addison-Wesley. (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-149)
• KUO, B. (1995). Sistemas de Control Automático. Prentice Hall. (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-289)
• OGATA, K. (2008). Matlab for Control Engineers. Pearson/Prentice Hall. (disponível na Biblioteca do ISEC: 1-6-304)

Bibliografia Complementar:
• DORF, R. & BISHOP, R. (1998), Modern Control Systems. Addison-Wesley.