Mecanismos dotados de “mentes” — sistemas de controle automático

EM TODA a sua história, o homem tem constantemente procurado aprimorar seu quinhão na vida. Pelo seu engenho, inventou mecanismos que libertaram muitos de grande parte de suas cargas físicas. Não se contentando com este passo à frente, prosseguiu a desenvolver outros mecanismos que fizessem até parte de suas tarefas mentais. Por aplicar estes inventos mais novos em mecanismos mais convencionais, o homem dispõe agora de mecanismos que parecem governar a si mesmos e que fazem o trabalho em velocidades muito superiores a algo que era possível antes. O resultado da aplicação destes sistemas de controle é aquilo que o homem há muito deseja — a AUTOMATIZAÇÃO!

Bem, dificilmente se passa um dia nas vidas de muitos de nós sem que não tenhamos utilizado os serviços da automatização. Desde o termostato que mantém sua casa em temperatura confortável até o relógio despertador que tão pontualmente o acorda, e até mesmo a torradeira que tosta seu pão, deixando-o com um torradinho dourado, o leitor se beneficia de um engenho automático após outro.

O entendimento dos princípios básicos dos engenhos automáticos ajudará a eliminar de sua mente a auréola de ficção científica. Ao passo que a aplicação dos sistemas de controle talvez variem dos aparelhos domésticos ao intrincado sistema de direção de um satélite espacial, os elementos fundamentais de tais sistemas são relativamente simples. A compreensão das operações de alguns dos sistemas mais simples nos dará uma idéia até mesmo dos mais complicados.

Sistemas de Controle de Circuito Aberto

A fim de vermos de perto a operação dum sistema de controle, examinemos o exemplo familiar da torradeira automática. Tendo presente o tipo de torrada que deseja, coloca o indicador do mostrador na posição adequada. Esta é a ordem ou sinal de entrada para a torradeira. Por meio desta ordem de entrada, diz à torradeira o tipo de torrada que deseja, isto é, que tipo de saída deseja dela. O mostrador que gira, que realmente opera um marcador de tempo, controla o funcionamento da parte da torradeira que realmente efetua o trabalho, isto é, os elementos de aquecimento. Aqui, então, temos os elementos básicos do tipo mais elementar dos sistemas de controle, que os engenheiros chamam de sistema de controle de circuito aberto. Este poderá ser esboçado como segue:

As duas partes principais do sistema são o seletor de referência e a unidade dinâmica. O trabalho do seletor de referência é “traduzir” a ordem de entrada em termos que a unidade dinâmica possa “entender” e “obedecer”. No caso da torradeira automática, o seletor de referência é o mostrador de seleção que opera um marcador de tempo que regula a duração do tempo em que os elementos de aquecimento ficam ligados. A ordem de entrada é dada nos termos do tipo de torrada desejada — leve, médio, escura. A ordem de entrada nesta forma não tem significado para a unidade dinâmica. O seletor de referência, então, “traduz” esta ordem de entrada em predeterminada duração de tempo e supre a ordem de entrada em sua nova “linguagem” à unidade dinâmica. Desta forma, o seletor de referência “transmite” a ordem de entrada à unidade dinâmica em termos significativos para ela cumprir sua função. Os elementos aquecedores constituem a unidade dinâmica no sentido de que realmente executam a ordem ou fazem o trabalho neste determinado sistema, isto é, o de torrar pão.

Ao passo que é possível obter-se uma fatia de pão torrada da exata qualidade desejada por se manter o pão manualmente sobre um fogo aberto, movendo-o e virando-o de um lado para o outro e mantendo constante atenção nele, este método requer a contínua atenção e esforço do operador. Pela adição dos elementos do simples sistema de controle descrito acima, a pessoa não só ainda continua a gozar o grau de controle quanto à qualidade do produto final, mas também se vê livre do esforço e da atenção constantes exigidos no caso da operação manual. Desta forma, o simples sistema de controle cumpre o papel básico do mecanismo automatizado.

Mas, por que se chama tal sistema de controle de sistema de circuito aberto? Quando a ordem de entrada é fornecida ao sistema, isto é realmente o fim da operação de controle. Dali em diante, a operação segue a direção representada na figura 1. Não há nenhum outro controle. Sob condições normais, quando toda parte do sistema funciona como deveria, o produto final ou saída seria igual à ordem de entrada.

Mas, o que acontece se algo não funcionar como deveria? O que acontece quando certos fatores inesperados interferem na situação? Digamos que o pão esteja mais seco do que o normal. Não há nada no sistema que relate tal informação à unidade dinâmica de forma a compensar ou alterar seu funcionamento. Assim, talvez acabe com um pedaço de torrada tostada demais, embora tenha fixado o mostrador, digamos, no ponto médio. Não há nada neste sistema que mude ou corrija sua operação no caso em que o produto final não é o que se esperava. A saída não tem influência ou controle sobre a operação do sistema. É por isso que este tipo de sistema de controle é chamado de sistema de circuito aberto.

Obviamente, o meio de sobrepujar esta falha aparente é prover algum meio pelo qual a operação do sistema possa ser alterada, caso haja alguma dificuldade na qualidade da saída. Na operação real do sistema de circuito aberto, tais meios são providos pelo operador humano. Quando vê que sua fatia de pão começa a deixar escapar fumaça na torradeira, o leitor ajusta o marcador “escuro” na torradeira. Ou, quando vê que o pão não está tostado o suficiente, aumenta o marcador de “escuro”. Desta forma, fornece-se ao, sistema, por seu intermédio, o operador humano, informação sobre a qualidade da saída. E qualquer ajuste necessário no desempenho do sistema é feito de modo que a saída satisfaça as normas desejadas.

Sistemas de Controle de Circuito Fechado

Naturalmente, num sistema verdadeiramente automático, a alimentação é realizada, não pelo operador humano, mas por alguns elementos inerentes que podem realizar as mesmas tarefas “supervisoras”, apenas que muito mais rápido e mais exatamente. Tais sistemas são chamados de sistemas de controle de circuito fechado ou alimentação de retorno.

Para observar como opera um simples sistema de controle de circuito fechado, consideremos outro exemplo muito familiar, o sistema de aquecimento do lar regulado por um termostato. Este sistema tem todas as características do sistema de controle de circuito aberto considerado antes. A unidade dinâmica é, naturalmente, a fornalha que realmente aquece o espaço aéreo da casa. O seletor de referência é o ajustador do termostato, e o próprio termostato é o elemento de alimentação de retorno acrescentado. A disposição destas partes essenciais é feita conforme a figura 2.

Imaginemos que deseje manter o quarto a uma temperatura confortável de 23,3° C. De modo que coloca o indicador de temperatura no termostato naquela temperatura. Esta é a ordem de entrada do sistema. Esta entrada ativa os controles da fornalha e os liga. À medida que a fornalha continua a ativar-se, a temperatura do quarto começa a subir, chegando gradualmente à temperatura pré-escolhida. Quando a temperatura do quarto finalmente atinge 23,3° C., põe o termostato a funcionar, e ele fornece esta informação de novo aos controles da fornalha e desliga a fornalha.

Em geral, a temperatura continua a subir um pouco até mesmo depois de a fornalha ser desligada. Daí, atinge um ponto máximo e começa a diminuir. Tudo isto, por certo, gira por volta da temperatura pré-escolhida. À medida que a temperatura do quarto retorna a 23,3° C., o termostato é mais uma vez reativado, e a fornalha é de novo ligada para impedir qualquer queda adicional da temperatura do quarto. Desta forma, a combinação fornalha-termostato se torna um sistema automático capaz de aquecer e manter determinado espaço a certa temperatura. O termostato, neste caso, atua como o “cérebro” do sistema, supervisionando-o e regulando-o.

O Elemento da Alimentação de Retorno

Pela breve análise dos sistemas de controle de circuito aberto e de circuito fechado, e uma comparação das figuras 1 e 2, vê-se com facilidade que a diferença essencial entre os dois é a alimentação de retorno. Trata-se realmente do coração do sistema de controle automático. É o elemento da alimentação de retorno que provê as funções “automáticas” destes sistemas. O elemento de alimentação de retorno tem a função básica de medir a saída e compará-la com a entrada. Na maioria dos casos, isto é feito eletricamente, visto que este é, em geral, o método mais conveniente, bem como o mais exato.

Aparelhos conhecidos como transdutores são usados para converter as propriedades físicas, tais como a temperatura, a pressão, o deslocamento, a velocidade, a aceleração, a luminosidade, e assim por diante, em sinais elétricos. Tais sinais são então medidos e então registrados, de modo que contínua inspeção do desempenho do sistema seja efetuada. Entre os exemplos mais familiares dos transdutores se acham a célula fotoelétrica, o giroscópio e o cristal piezelétrico. A forma e a aplicação destes constituem em si mesmas fascinante campo.

Embora o assunto dos sistemas de controle automático seja um campo altamente desenvolvido, atualmente, sua história é relativamente curta, datando de apenas meio século ou algo parecido. Naquele tempo, vimos o advento, o aperfeiçoamento e a aplicação da teoria dos sistemas de controle. Os rápidos progressos neste campo podem ser atribuídos a duas causas principais.

A primeira de todas, a tecnologia elétrica e eletrônica, que progride cada vez mais, forneceu aos engenheiros de controle os instrumentos e os “materiais” necessários para a construção de seus sistemas. Daí, as exigências industriais promoveram a necessária pesquisa de modo a trazer a ciência e a arte dos sistemas de controle a seu atual estado.

Agora, é lugar comum se ver lares plenamente dotados de aparelhos automáticos, escritórios cheios de máquinas e computadores comerciais, e fábricas em que os completos processos de fabricação, desde a matéria bruta ao produto final, são efetuados pelos sistemas de controle automático. Na verdade, a estória dos sistemas de controle é uma estória que ilustra a habilidade com que o Criador dotou o homem para explorar e utilizar materiais e leis que se originaram do próprio Deus.

[Diagrama/Foto na página 21]

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FIG. 1 SISTEMA DE CONTROLE DE CIRCUITO ABERTO

1. UNIDADE DINÂMICA — ELEMENTOS AQUECEDORES

2. SAÍDA

3. SELETOR DE REFERÊNCIA — SELETOR DO “TOSTAMENTO”

4. ORDEM DE ENTRADA

[Diagrama na página 23]

(Para o texto formatado, veja a publicação)

FIG. 2 DIAGRAMA AGREGADO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DE CIRCUITO FECHADO