Exerccio 1

Sistemas de Automao e Controle

Sistemas de Automao e ControleSENAI ES, 2005.Direitos de Reproduo para a CST

Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentao/Automao Industrial: Fbio da Costa Pinto.

SENAI Servio Nacional de Aprendizagem IndustrialDepartamento Regional do Esprito SantoCETEC Centro de Educao e Tecnologia Arivaldo FontesAvenida Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 - Bento Ferreira Vitria ES.CEP 29052-121Telefone: (27) 3334-5200Telefax: (27) 3334-5212NDICE

1AUTOMAO INDUSTRIAL91.1Introduo91.2Conceito91.3Desenvolvimento da Automao101.4Tipos de Automao131.4.1Automao Fixa131.4.2Automao Programvel131.4.3Automao Flexvel142CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS162.1.Consideraes gerais162.1.1Perspectiva Histrica162.2.Estruturas bsicas do Controle Automtico192.2.1Controle em Malha Fechada192.2.2Controle em Malha Aberta222.2.3Comparao entre os sistemas em malha fechada e aberta.222.3.Controle Digital232.4Exemplos de Sistemas de Controle e Regulao Industrial272.5Controladores Automticos Industriais292.5.1Introduo292.5.2Aes de Controle Bsicas302.6Controladores Analgicos412.7Reguladores Digitais442.8Ajuste timo dos Controladores Industriais472.8.1Mtodo baseado na Sensibilidade Crtica (2 Mtodo)482.9Exemplo de Aplicao Industrial502.10Malhas de Controle612.10.1Introduo612.10.2Realimentao negativa612.10.3Controle Cascata642.11Controle de Faixa Dividida722.11.1Conceito722.11.2Aplicaes722.12Balano de Cargas742.13Controle de malhas redundantes752.14Controles chaveados772.15Controle Auto-Seletor792.15.1Conceito792.15.2Exemplos802.15.3Caractersticas812.15.4Cuidado para a no Saturao812.15.5Aplicaes822.16Controle Feed-forward842.16.1Introduo842.16.2Funes Bsicas842.16.3Partes Fundamentais852.16.4Caractersticas852.16.5Limitaes862.16.6Comparao com o Feedback872.16.7Desenvolvimento do Controlador892.16.8Aplicaes912.16.9Concluso992.17Controle de Relao (Ratio)1002.17.1Conceitos1002.17.2Caractersticas1012.17.3Aplicaes1032.18Conceitos de Projeto do Controle1052.18.1Critrios Gerais1062.18.2Controle Global da Planta1062.18.3Otimizao de controle1073NOES DE CIRCUITOS LGICOS1093.1Tpicos da lgebra de Boole1093.2Conceitos Introdutrios1093.2.1Grandezas Analgicas e Digitais1093.2.2Sistemas de Numerao Digital1103.2.3Representao de Quantidades Binrias1113.2.4Circuitos Digitais /Circuitos Lgicos1123.2.5Sistemas de Numerao e Cdigos1123.3Aritmtica Digital1153.3.1Introduo1153.3.2Adio Binria1153.3.3Representao de Nmeros com Sinal1163.3.4Forma do Complemento a 11163.3.5Forma do Complemento a 21163.3.6Representao de Nmeros com Sinal Usando Complemento a 21173.3.7Negao1173.3.8Faixa de Representao do Complemento a 21183.3.9Adio no Sistema de Complemento a 21193.3.10Subtrao no Sistema de Complemento a 21203.3.11Overflow Aritmtico1203.3.12Multiplicao de Nmeros Binrios1203.3.13Diviso Binria1213.3.14Adio BCD1213.3.15Aritmtica Hexadecimal1223.3.16Adio em Hexadecimal1223.3.17Subtrao em Hexadecimal1223.4Portas Lgicas e lgebra Booleana1233.4.1Descrevendo Circuitos Lgicos Algebricamente1253.4.2Portas NOR e NAND1263.4.3Teoremas da lgebra de Boole1263.4.4Universalidade das Portas NAND e NOR1273.4.5Simplificao de Circuitos Lgicos1283.4.6Projetando Circuitos Lgicos1283.4.7Mtodo do Mapa de Karnaugh para Simplificao Circuitos Lgicos1294SISTEMAS DE SUPERVISO E DE CONTROLE1304.1Sistemas Analgicos com Painis Mmicos1304.2Sistemas de Superviso e Comando com Painis Mmicos atualizados por Computadores.1304.3Controladores Lgicos Programveis1314.3.1Introduo1314.3.2Controladores Lgicos Programveis usados no Seqnciamento de operaes.1334.3.3Componentes bsicos de um CLP1344.3.4Processador1344.3.5Memria1344.3.6Circuito de Entrada1354.3.7Circuito de Sada1354.3.8Painis de Programao1354.3.9Fonte de Alimentao1354.3.10Endereamento1364.3.11Exemplo de um Endereo Indexado1364.3.12Endereamento de Instrues de Arquivo1374.3.13Constantes Numricas1374.3.14Instrues Bsicas para programao de CLP1374.3.15Instruo do Tipo Rel1384.3.16Instruo - Liga a Sada1384.3.17Exemplos de programas1394.3.18Instruo Liga e Desliga com Selo (OTL E OTU)1434.3.19Instruo Liga em uma varredura (OSR)1444.3.20Temporizadores1454.3.21Temporizador TON1474.3.22Contadores1484.3.23Contador CTU1504.3.24Instruo RES1514.4IEC 61131-3: A Norma para Programao1534.4.1Elementos Comuns1544.4.2Linguagens de Programao1584.4.3Implementaes1604.4.4Concluso1604.6Os Sistemas Digitais de Controle Distribudo (SDCD)1624.7Os SDCDs convencionais1634.8Configurao geral de um SDCD1644.9Sistemas Supervisrios Modernos1674.10Configuraes Gerais dos Sistemas Supervisrios1694.11Computadores utilizados nos sistemas supervisrios1704.12Portas seriais utilizadas nos sistemas de comunicao1714.13Sistemas de redes locais usadas em sistemas supervisrios1714.14Meio de transmisso1724.15Configuraes de rede1734.16Controle de acesso aos canais1744.17Padres de Redes de comunicao1754.18Rede Ethernet1774.19Introduo s Redes Industriais1784.19.1Nveis de uma Rede Industrial1784.19.2Classificao das redes industriais1794.19.3Redes de clula1794.19.4Arquitetura MAP1794.19.5O Projeto MAP1804.19.6EPA/MAP1854.19.7Mini-MAP1874.19.8Redes de Campo de Baixo Nvel1884.19.9Redes de campo efetivas1884.19.10A Pirmide CIM1894.20Interface AS-I1914.20.1Caractersticas Gerais1914.20.2Topologia1924.20.3Componentes Principais1944.21Rede PROFIBUS2024.21.1Tecnologia Profibus2024.21.2Perfis de Comunicao2044.21.3Perfis Fsicos2044.21.4Perfis de Aplicao2054.21.5Caractersticas bsicas2054.21.6Arquitetura do Protocolo PROFIBUS2054.21.7Tecnologia de transmisso RS-4852064.21.8Tecnologia de Transmisso IEC 1158-22104.21.9Instrues de instalao para IEC-11582114.21.10Protocolo PROFIBUS para o acesso ao meio2134.21.11Perfil de comunicao DP2154.21.12Funes bsicas2154.21.13Caractersticas bsicas2164.21.14Funes de diagnstico2174.21.15Configurao do sistema e tipos de dispositivos2184.21.16Comportamento do sistema2194.21.17Transmisso cclica de dados entre os dispositivos dpm1 e os dispositivos escravos2204.21.18Modo sync e modo de congestionamento (freeze)2204.21.19Mecanismos de proteo2214.21.20Funes DP estendidas2214.21.21Endereamento2224.21.22Transmisso acclica de dados entre dispositivos DPM1 e dispositivos escravos2234.21.23Transmisso acclica de dados entre dispositivos DPM2 e dispositivos escravos2244.21.24Perfil de comunicao FMS2254.21.25Servios FMS2274.21.26Lower link interface (LLI)2294.21.27Gesto da Rede2304.21.28Perfis de aplicao2314.21.29Aspectos de aplicao2334.21.30Aplicaes tolerantes a falhas2354.21.31Automao de edifcios2364.21.32Perfis de aplicao para tipos especiais de dispositivos2364.22FOUNDATION Fieldbus2374.22.1Consideraes Iniciais2374.22.2Definies2404.22.3Nveis de Protocolo2424.22.4Nveis de Software2434.22.5Nvel Fsico2454.22.6Distribuio de Energia2494.22.7Benefcios do Fieldbus2594.22.8Comparaes com as tecnologias anteriores2614.22.9Detalhando um projeto FIELDBUS2654.22.10Uso de barreiras de proteo2704.22.11Componentes de um projeto FIELDBUS e suas caractersticas2804.22.12Cabos2804.22.13Tipos de Equipamentos2844.22.14Exemplo de documentao de um projeto2865SISTEMAS DE AQUISIO DE DADOS-SAD3095.1Componentes de um SAD3105.2Software dos sistemas de aquisio de dados3165.3Escolha dos sistemas de aquisio de dados3175.4Sistemas Supervisrios3205.5Plataforma de Hardware3215.6Estrutura dos Sistemas Supervisrios3215.7Caractersticas Gerais de um Software Supervisrio3245.8Configurao dos Sistemas Supervisrios3266INTERFACE HOMEM-MQUINA (IHM)3296.1Tipos de IHM3316.2Meios de Comunicao da IHM3347SISTEMA PIMS3437.1Apresentao3437.2Comunicao com Sistemas Externos3437.3Modelo de Gerenciamento de Dados CST3448BIBLIOGRAFIA346

1 AUTOMAO INDUSTRIAL

1.1 IntroduoVoc j reparou que a automao faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pela manh, o rdio relgio automaticamente dispara o alarme para acord-lo e comea a dar as notcias do dia. Nessa mesma hora, algum esquenta o po para o caf da manh numa torradeira eltrica, ajustando tempo de aquecimento. Na sala, uma criana liga o videocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto da semana anterior. Quando a casa esquenta pela incidncia dos raios solares, o ar condicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradvel. Esses simples fatos evidenciam como a automao faz parte da vida cotidiana.

1.2 ConceitoAutomao um sistema de equipamentos eletrnicos e/ou mecnicos que controlam seu prprio funcionamento, quase sem a interveno do homem. Automao diferente de mecanizao. A mecanizao consiste simplesmente no uso de mquinas para realizar um trabalho, substituindo assim o esforo fsico do homem. J a automao possibilita fazer um trabalho por meio de mquinas controladas automaticamente, capazes de se regularem sozinhas.

Fig.1.1.Evoluo da automatizao ao longo dos tempos.

1.3 Desenvolvimento da AutomaoAs primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pr-histria com invenes como a roda. O moinho movido por vento ou fora animal e as rodas d'gua demonstram a criatividade do homem para poupar esforo.Porm, a automao s ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produo agrrio e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do sculo XVIII, inicialmente na Inglaterra.Os sistemas inteiramente automticos surgiram no incio do sculo XX, entretanto, bem antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automticos.Devido necessidade de aumentar a produo e a produtividade, surgiram uma srie de inovaes tecnolgicas: Mquinas modernas, capazes de produzir com maior preciso e rapidez em relao ao trabalho feito mo. Utilizao de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicada a mquinas em substituio s energias hidrulica e muscular.

Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo do vapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controle com realimentao e regulador e consistia num eixo vertical com dois braos prximos ao topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a mquina funcionava de modo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um lao de Realimentao.

Fig.1.2.Representao simplificada do mecanismo de J. Watt.

A partir de 1870, tambm a energia eltrica passou a ser utilizada e a estimular indstrias como a do ao, a qumica e a de mquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediu bastante graas expanso das estradas de ferro e indstria naval.No sculo XX, a tecnologia da automao passou a contar com computadores, servomecanismos e controladores programveis. Os computadores so o alicerce de toda a tecnologia da automao contempornea.

Encontramos exemplos de sua aplicao praticamente em todas as reas do conhecimento e da atividade humana, por exemplo, ao entrarmos num banco para retirar um simples extrato somos obrigados a interagir com um computador. Passamos o carto magntico, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentao bancria impressa.

Nmero daConta e SenhaProcessamento de Dadosconta e senhaExtratoImpressoCOMPUTADOR

Fig.1.3.Aplicao do computador

A origem do computador est relacionada necessidade de automatizar clculos, evidenciada inicialmente no uso de bacos pelos babilnios, entre 2000 e 3000 a.C.O marco seguinte foi inveno da rgua de clculo e, posteriormente, da mquina-aritmtica, que efetuava soma e subtrao por transmisses de engrenagens. George Boole desenvolveu a lgebra booleana, que contm os princpios binrios, posteriormente aplicados s operaes internas de computadores.Em 1880, Herman Hollerith criou um novo mtodo, baseado na utilizao de cartes perfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulao do censo norte-americano. Os resultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados, foram obtidos em apenas seis semanas. O xito intensificou o uso desta mquina que, por sua vez, norteou a criao da mquina IBM, bastante parecida com o computador.Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamente eletrnico o Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m2 e pesava 30 toneladas. Funcionava com vlvulas e rels que consumiam 150.000 watts de potncia para realizar cerca de 5.000 clculos aritmticos por segundo: Esta inveno caracterizou o que seria a primeira gerao de computadores que utilizava tecnologia de vlvulas eletrnicas.A segunda gerao de computadores marcada pelo uso de transistores (1952). Estes componentes no precisam aquecer-se para funcionar, consomem menos energia e so mais confiveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma vlvula, permitindo que os computadores ocupassem muito menos espao.

Com o desenvolvimento tecnolgico, foi possvel colocar milhares de transistores numa pastilha de silcio de 1 cm2 , o que resultou no circuito integrado (CI): Os CIs deram origem terceira gerao de computadores, com reduo significativa de tamanho e aumento da capacidade de processamento.

Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI): Os chamados chips constituram a quarta gerao de computadores. Foram ento criados os computadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricao.Para se ter idia do nvel de desenvolvimento desses computadores nos ltimos quarenta anos, enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil clculos por segundo, um chip atual faz 50 milhes de clculos no mesmo tempo.Voltando a 1948, o americano John T Parsons desenvolveu um mtodo de emprego de cartes perfurados com informaes para controlar os movimentos de uma mquina-ferramenta.Demonstrado o invento, a Fora Area patrocinou uma srie de projetos de pesquisa, coordenados pelo laboratrio de servomecanismos do Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um prottipo de uma fresadora com trs eixos dotados de servomecanismos de posio.A partir desta poca, fabricantes de mquinas-ferramenta comearam a desenvolver projetos particulares.Essa atividade deu origem ao comando numrico, que implementou uma forma programvel de automao com processo controlado por nmeros, letras ou smbolos.Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programao que auxilia a entrada de comandos de trajetrias de ferramentas na mquina. Trata-se da linguagem APT (do ingls, Automatically Programmed Tools, ou Ferramentas Programadas Automaticamente).Os robs (do tcheco robota, que significa "escravo, trabalho forado") substituram a mo-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O rob programvel foi projetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fbrica de robs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robs em sua linha de produo para soldagem de carrocerias.Ainda nos anos 50, surge a idia da computao grfica interativa: forma de entrada de dados por meio de smbolos grficos com respostas em tempo real. O MIT produziu figuras simples por meio da interface de tubo de raios catdicos (idntico ao tubo de imagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM comeou a explorar a computao grfica.A dcada de 1960 foi o perodo mais crtico das pesquisas na rea de computao grfica interativa. Na poca, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistema sketchpad, que tornou possvel criar desenhos e alteraes de objetos de maneira interativa, num tubo de raios catdicos.No inicio dos anos 60, o termo CAD (do ingls Computer Aided Design ou "Projeto Auxiliado por Computador") comeou a ser utilizado para indicar os sistemas grficos orientados para projetos.Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na dcada anterior comearam a dar frutos. Os setores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importncia da computao grfica como forma de aumentar a produtividade.Na dcada de 1980, as pesquisas visaram integrao e/ou automatizao dos diversos elementos de projeto e manufatura. Com o objetivo de criar a fbrica do futuro, o foco das pesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliado por Computador). Desenvolveu-se tambm o modelamento geomtrico tridimensional com mais aplicaes de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Alguns exemplos dessas aplicaes so a anlise e simulao de mecanismos, o projeto anlise de injeo de moldes e a aplicao do mtodo dos elementos finitos.Hoje, os conceitos de integrao total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas de comunicao de dados e novas tcnicas de gerenciamento esto se disseminando rapidamente, j sendo uma realidade o CIM (Manufatura Integrada por Computador).1.4 Tipos de AutomaoEmbora a automao industrial tenha sido desencadeada, fundamentalmente, pela necessidade de melhorar os nveis de produtividade, as alteraes do tipo de mercado tm feito evoluir o conceito de automao. Quando o mercado era caracterizado pela abundncia de produtos iguais e duradouros, em que a economia de escala dominava a cena industrial, a automao era fixa, isto , a seqncia de operaes no sistema era fixada pela configurao do equipamento projetado para um determinado produto. Embora com taxas altas de produtividade, essas alteraes exigiam operaes complexas, demoradas e dispendiosas. Com o aparecimento de um mercado caracterizado pela diversidade de produtos com vida til reduzida, o sistema produtivo, para dar resposta, teve de se flexibilizar, sem, contudo pr em causa os nveis mdios de produtividade. Assim, a seqncia de operaes passa a ser controlada por um programa (listagem de instrues), permitindo a flexibilizao do processo automtico de produo. Esta mudana provocou alteraes ao nvel da tecnologia utilizada nos dispositivos de controle. A evoluo tecnolgica tem vindo a permitir a implementao de novos sistemas de automao que acompanham as novas concepes das linhas de produo. Podemos distinguir genericamente os seguintes tipos de automao: Automao fixa; Automao programada; Automao flexvel. Vamos seguidamente caracterizar de uma forma resumida cada um destes tipos de automao.

1.4.1 Automao FixaEste tipo de automao caracterizado pela rigidez da configurao do equipamento. Uma vez projetada uma determinada configurao de controle, no possvel alter-la posteriormente sem realizar um novo projeto. As operaes a realizar so em geral simples e a complexidade do sistema tem, sobretudo a ver com a integrao de um elevado nmero de operaes a realizar. Os aspectos tpicos da automao fixa so: Investimentos iniciais elevados em equipamentos especficos; Elevadas taxas de produo; Impossibilidade em geral de prever alteraes nos produtos;Este tipo de automao justifica-se do ponto de vista econmico quando se pretende realizar uma elevada produo. Como exemplos de sistemas deste tipo, podemos citar as primeiras linhas de montagem de automveis nos Estados Unidos. (Ex: linha de produo do Ford T, 1913).

1.4.2 Automao ProgramvelNeste caso, o equipamento montado com a capacidade de se ajustar a alteraes da seqncia de produo quando se pretende alterar o produto final. A seqncia de operaes controlada por um programa. Assim, para cada novo produto ter que ser realizado um novo programa. Os aspectos tpicos da automao programvel so: Elevado investimento em equipamento genrico, Taxas de produo inferiores automao fixa, Flexibilidade para alteraes na configurao da produo, Bastante apropriada para produo por lotes (batch processing). No final da produo de um lote, o sistema reprogramado. Os elementos fsicos envolvidos como, por exemplo, ferramentas de corte e parmetros de trabalho das mquinas ferramentas, devem ser reajustados. O tempo despendido na produo de um lote deve incluir o tempo dedicado aos ajustamentos iniciais e o tempo de produo do lote propriamente dito. Podem-se referir como exemplos de sistemas de automao programvel as mquinas de Comando Numrico (CNC Computer Numeric Control) com incio de atividade em 1952 e as primeiras aplicaes de robs industriais em 1961. (Ver Fig.1.4).

Fig.1.4Exemplo de aplicao industrial de um rob: alimentao de peas de uma mquina-ferramenta. (Fonte: Eshed Robotec).

1.4.3 Automao Flexvel uma extenso da automao programvel. A definio exata desta forma de automao est ainda em evoluo, pois os nveis de deciso que envolve podem neste momento incluir toda a organizao geral da produo. Um sistema flexvel de produo capaz de produzir uma determinada variedade de produtos sem perda significativa de tempo de produo para ajustamentos entre tipos diferentes. Assim, o sistema pode produzir vrias combinaes de produtos sem necessidade de os organizar em lotes separados. Os aspectos tpicos da automao flexvel so: Elevados investimentos no sistema global; Produo contnua de misturas variveis de produtos; Taxas de produo mdia; Flexibilidade de ajustamento s variaes no tipo dos produtos;

Os aspectos essenciais que distinguem a automao flexvel da programvel so: Capacidade de ajustamento dos programas a diferentes produtos sem perda de tempo de produo; Capacidade de ajustamento dos elementos fsicos da produo sem perda de tempo de produo;

Fig.1.5.Exemplo de um sistema automtico flexvel controlado por computador. (Fonte: Eshed Robotec).

As alteraes dos programas so feitas normalmente off-line num nvel hierrquico superior, sendo transmitidas ao computador do processo via ligao em rede. A evoluo previsvel da automao flexvel no futuro prximo ser funo dos desenvolvimentos que se vierem a dar nas seguintes reas: Desenvolvimento de computadores cada vez mais rpidos e em comunicao com todos os sistemas envolvidos na produo, atravs de redes industriais (Ex: redes Ethernet, Telway, PROFIBUS, etc). Desenvolvimento de programas inteligentes ("Expert Systems"), Desenvolvimentos nos campos da robtica e da viso artificial, Desenvolvimento nos veculos guiados automaticamente (AGVs).

2 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

1.1. Consideraes geraisA regulao e o controle automtico de sistemas industriais desempenha um papel de vital importncia no desenvolvimento da cincia e da engenharia. Para alm de possuir uma importncia fundamental nos sistemas de pilotagem de navios, avies, msseis, veculos espaciais, etc. passou a tornar-se uma parte integrante do funcionamento de processos industriais tpicos (manufatura, produo de energia, produtos qumicos, transportes, instalaes de frio e ar condicionado, etc.). O controle automtico essencial, por exemplo, em operaes industriais que envolvam o controle de posio, velocidade, presso, vazo, temperatura, umidade, viscosidade, etc. Neste captulo, vamos apresentar os conceitos bsicos relativos teoria do controle automtico, bem como as principais estruturas utilizadas no controle de processos industriais. Por fim, faremos uma breve descrio do tipo de controladores ou reguladores mais utilizados na indstria, bem como as suas principais caractersticas e formas de ajuste dos respectivos parmetros.

2.1.1 Perspectiva HistricaEmbora desde sempre o homem tenha tentado controlar os fenmenos naturais em seu prprio proveito, a primeira tentativa sria e que historicamente considerada como um dos primeiros trabalhos significativos na rea de controle automtico, foi efetuado pelo investigador James Watt, que construiu um regulador centrfugo para efetuar o controle de velocidade de uma mquina a vapor (Inglaterra, sc. XVIII). Dado o seu interesse histrico, apresenta-se na Fig.2.1, o esquema de um regulador de velocidade de um motor Diesel, baseado no princpio inventado por James Watt.

Fig.2.1.Esquema bsico do regulador de Watt aplicado regulao de velocidade de motor Diesel.

No esquema da Fig.2.1, podemos verificar que o veio do motor tem acoplado um sistema com duas massas (m) que rodam com o veio velocidade de rotao . Assim, quando o motor aumenta de rotao, devido ao centrfuga as massas tendem a afastar-se diminuindo o curso (y), elevando assim a haste (h) ligada vlvula de combustvel. Deste modo, o caudal de combustvel diminui o que faz baixar a velocidade de rotao do motor. Por conseguinte, as massas tendem a aproximar-se do veio, aumentando y, baixando h aumentando a velocidade do motor . Este procedimento repete-se at se atingir uma situao de equilbrio. No sculo XX, foram iniciados de fato os estudos e as aplicaes do controle automtico indstria. Assim, com o avano da cincia e da tecnologia, foram dados os primeiros passos nas dcadas de vinte e trinta, perodos nos quais foram efetuados importantes desenvolvimentos. Durante a dcada de quarenta, foram dados novos e importantes passos nesta rea. Deste modo, aps a introduo do primeiro regulador pneumtico PID[footnoteRef:1] na indstria, os investigadores J. Ziegler e N. Nichols desenvolveram um mtodo de ajuste timo destes reguladores, que ficou conhecido por "Mtodo de Ziegler-Nichols". Este mtodo permitiu resolver muito dos problemas de ajuste dos parmetros de reguladores, atravs de uma metodologia relativamente simples e eficaz. [1: Estes reguladores utilizam as 3 aes bsicas de regulao: Proporcional (P), Integral (I) e Derivativa (D), relativamente ao erro. So tambm designados na indstria, por reguladores de trs aes (three-term-regulator). ]

a) b)Fig.2.2.a)Aspecto de um regulador pneumtico PID atual utilizado na indstria.b)Controlador eletrnico e sensores analgicos de diversos tipos.

Nos anos setenta e seguintes, devido s crescentes potencialidades dos computadores digitais para efetuar a manipulao de grandes volumes de dados e de efetuar clculos complexos, estes passaram a ser progressivamente cada vez mais utilizados na construo de reguladores industriais, sensores transdutores, etc. Esta tcnica, que recorre utilizao em larga escala de micro-computadores para efetuar a monitorizao e o controle digital conhecida por controle digital direto (DDC - "Direct Digital Control"). Neste tipo de controle, utilizado um computador digital para efetuar o controle do processo em tempo real, de um ou mais processos, consoante o tipo e complexidade da aplicao industrial.

Fig.2.3.Aspecto de uma gama de reguladores industriais atuais baseados em microprocessador.

Por fim, os mtodos de estudo e anlise de sistemas de controle contnuo e digital passaram a ficar extraordinariamente facilitados com o surgimento nos ltimos anos de diversas ferramentas informatizadas cada vez mais poderosas, versteis e com capacidades grficas muito interessantes. Deste modo, o estudo de sistemas complexos, que atravs dos mtodos tradicionais se revelava bastante complexo, passou a ser bastante acessvel atravs do recurso s potencialidades destes programas[footnoteRef:2], de utilizao cada vez mais generalizada no ensino das matrias de Controle Automtico. [2: Podemos destacar entre outros o MATLAB/SIMULINK (Mathworks, Inc.), MAPLE e MATHCAD.]

Fig.2.4.Exemplo de um diagrama de simulao grfico em MATLAB/SIMULINKNOTA: A figura representa o diagrama de blocos do sistema de controle em malha fechada de um motor de combusto interna.

1.2. Estruturas bsicas do Controle Automtico

2.2.1 Controle em Malha FechadaNo sistema clssico de controle em malha fechada, que na sua forma mais usual constitudo por componentes contnuos ou analgicos, o sinal de sada possui um efeito direto na ao de controle, pelo que poderemos design-los por sistemas de controle com realimentao ou retroao ("feedback). Neste tipo de sistemas, o sinal de erro que corresponde diferena entre os valores de referncia e de realimentao (que pode ser o sinal de sada ou uma funo do sinal de sada), introduzido no controlador de modo a reduzir o erro e a manter a sada do sistema num determinado valor, pretendido pelo operador. Por outras palavras, o termo "MALHA FECHADA" implica necessariamente a existncia de uma realimentao com o objetivo de reduzir o erro, e manter deste modo a sada do sistema num determinado valor desejado. A Fig.2.5 representa a relao entrada-sada de um sistema de controle tpico em malha fechado. Esta representao grfica designada na literatura de Controle por "DIAGRAMA DE BLOCOS".

Ao de controle

Fig.2.5.Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada.

Para ilustrar o sistema de controle em malha fechada, vamos considerar o sistema trmico da Fig.2.6, na qual est representado um operador que desempenha a funo de controlador. Este operador pretende manter constante a temperatura da gua sada de um permutador de calor. No coletor de sada, est montado um termmetro (elemento de medida) que mede a temperatura real da gua quente (varivel de sada do sistema). Deste modo, em funo das indicaes fornecidas pelo elemento de medida, o operador ir manipular a vlvula de controle de vazo de vapor de aquecimento, de modo a manter a temperatura da gua o mais prxima possvel do valor desejado.

Fig.2.6.Esquema de Controle Manual de um Sistema Trmico.

Se em vez do operador, for utilizado um controlador automtico, conforme apresentado na Fig.2.7, o sistema de controle passa a designar-se por automtico. Neste caso, o operador seleciona a temperatura de referncia ("set-point") no controlador. A sada do processo (temperatura real da gua quente sada do permutador de calor), medida pelo transdutor de temperatura, e comparada no controlador com a temperatura de referncia de modo a gerar um sinal de erro. Tomando como base este sinal de erro, o controlador gera um sinal de comando[footnoteRef:3] para a vlvula de regulao de vapor (atuador). [3: Sinal de controle -> o sinal de sada do regulador, normalmente do tipo eltrico, pneumtico ou hidrulico. enviado para o atuador atravs de uma interface de potncia (amplificador, conversor, corrente-presso (I/P), etc.).]

Este sinal de comando permite variar gradualmente a abertura da vlvula, e, por conseguinte a vazo de vapor a admitir no permutador. Deste modo, possvel controlar automaticamente a temperatura da gua sada do permutador, sem que seja necessria a interveno do operador.

Fig.2.7.Esquema do sistema de regulao automtica de um sistema trmico.

a) b) c) d)Fig.2.8.Dispositivo de regulao de temperatura com componentes atuais.a) Transdutor de temperatura.b) Controlador digital PID.c) Conversor corrente-presso (Conversor I-P), que converte o sinal de controle de 4-20 mA para presso (3-15 psi).d) Vlvula de regulao com comando por ar comprimido (3-15 psi = 0.21-1.05 bar).

Como podemos verificar atravs das figuras anteriores, os dois sistemas funcionam de uma forma muito semelhante. Deste modo, os olhos do operador e o termmetro, constituem o dispositivo anlogo ao sistema de medida de temperatura; o seu crebro anlogo ao controlador automtico, realiza a comparao entre os valores de temperatura desejada e medida, e gera o respectivo sinal de comando. Este sinal veiculado pelos seus msculos que realizam a abertura ou fecho da vlvula, os quais tm um papel anlogo ao motor da vlvula de regulao de vapor.

2.2.2 Controle em Malha AbertaNeste tipo de sistemas de controle, a sada no exerce qualquer ao no sinal de controle. Deste modo, a sada do processo no medida nem comparada com a sada de referncia. A Fig.2.9 representa o diagrama de blocos de um sistema deste tipo.

Fig.2.9.Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberto.

Como se pode observar na figura, neste tipo de controle, a sada no comparada com a entrada de referncia. Deste modo, para cada valor da sada ir corresponder uma condio de funcionamento fixa. No entanto, na presena de perturbaes, o sistema no ir atingir os objetivos desejados. Na prtica, o controle em malha ou malha aberto, somente deve ser utilizado em sistemas para os quais a relao entre a entrada e a sada seja bem conhecida, e que no tenham perturbaes internas ou externas significativas.

2.2.3 Comparao entre os sistemas em malha fechada e aberta. A vantagem dos sistemas de controle em malha fechada, relativamente aos de malha aberta, consiste no fato da realimentao, tornar a resposta do sistema relativamente insensvel e perturbaes externas e a variaes internas dos parmetros do sistema. Deste modo, possvel utilizar componentes mais baratos e de menor preciso, para obter o controle preciso de um dado processo. Esta caracterstica impossvel de obter com um sistema em malha aberta. Do ponto de vista da estabilidade, os sistemas de controle em malha aberta so mais robustos, uma vez que a estabilidade no constitui um problema significativo. Nos sistemas de controle em malha fechada, a estabilidade constitui um problema de primordial importncia, visto que o sistema pode tender a sobrepor erros, produzindo oscilaes de amplitude constante ou varivel. Assim, podemos concluir que:Os sistemas em que so conhecidas as variveis de entrada antecipadamente no tempo, e nos quais no haja perturbaes muito significativas, aconselhvel a utilizao do controle em malha aberta. Para sistemas que estejam sujeitos a perturbaes imprevisveis e/ou variaes no previstas nos componentes do sistema, deve-se utilizar o controle em malha fechada. Sempre que possvel, aconselhvel utilizar uma combinao apropriada de controle em malha aberta e fechada, visto ser normalmente a soluo mais econmica, e que fornece um desempenho global do sistema mais satisfatrio. NOTA: O conceito de controlador ou regulador aplicado nestes apontamentos de forma indistinta. No entanto, existem diferenas entre as duas designaes. Assim, tem-se:Regulador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende manter fixa a referncia r(t) e controlar as perturbaes na sada c(t). o caso usual do controle de processos utilizados na indstria (presso, temperatura, vazo, nvel, etc.). Exemplo: Pretende-se manter constante a temperatura da gua sada de um permutador, independentemente da vazo de passagem e da temperatura da gua entrada.Controlador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende que a sada c(t) acompanhe uma referncia varivel no tempo r(t) para alm de efetuar tambm o controle das perturbaes na sada. Um exemplo tpico deste dispositivo de controle designa-se por servomecanismo, sendo muito utilizado em sistemas de controle de posio e velocidade. Exemplo:1) Controle do ngulo de leme de um navio. Neste caso pretende-se que o leme rode de um ngulo igual ao da referncia de ngulo de leme.2) Controle de velocidade de um motor Diesel de navio.

1.3. Controle DigitalConforme j foi referido anteriormente, com o avano cada vez maior da tecnologia dos microprocessadores, o regulador clssico (contnuos ou analgicos) apresentado no ponto anterior, tm vindo progressivamente a ser substitudo por controladores ou reguladores digitais, baseados em microprocessador. Assim, no sistema de controle contnuo representado na Fig.2.5, pode-se substituir o controlador analgico por um controlador digital. As diferenas bsicas entre estes dois controladores residem no fato de o sistema digital funcionar com sinais discretos (ou amostras do sinal contnuo medido pelo transdutor de medida), em vez dos sinais contnuos utilizados no controlador analgico. (Os diversos tipos de sinais no esquema da Fig. 2.10, esto representados na Fig.2.11).

Fig.2.10.Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada.

Fig.2.11.Evoluo temporal dos sinais num malha de controle digital.No diagrama do sistema de controle digital da Fig. (2.10), podemos ver que este contm elementos analgicos e digitais. Deste modo, o relgio (clock) ligado aos conversores A/D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Os conversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinal pulsado de relgio. O objetivo desta ao, o de fazer com que o processo (Plant) receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de sada y(k) sincronizados com o sinal de relgio. Deste modo, necessrio manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal de entrada. Existem tcnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter (hold) o sinal de modo a produzir um sinal contnuo (t).O grfico da Fig.2.12 mostra que o sinal (t) mantido constante para u(k) no intervalo [kT ; (k+1)T]. Esta operao de reteno de (t) constante durante o intervalo de amostragem designada por "reteno de ordem zero" ou "zero-order hold".

Fig.2.12.Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold").

O sinal (t) tratado pelo retentor de ordem zero introduzido em H2(s) de modo a produzir a sada do processo y(t). Este sinal depois amostrado pelo conversor A/D de modo a poder-se obter o sinal y(k) que ir ser igual amostra do sinal contnuo y(t). Esta operao equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contnuo de sada do processo y(t).

Fig.2.13.Evoluo dos sinais num sistema digital (em cima) e contnuo analgico (em baixo).

Exemplo de sistema de controle digital (posio angular do veio de um motor).Na Fig.2.14 ns podemos observar um sistema de regulao digital da posio do veio de um motor eltrico, atravs de micro-computador contendo um processador digital de sinal (DSP - Digital Signal Processor), de modo a poder realizar um elevado volume de clculos sem necessitar de utilizar o microprocessador do computador. O elemento de medida de posio fornece um sinal analgico que seguidamente convertido num sinal digital atravs de um conversor A/D, de modo a poder ser efetuada a lei de controle. Note que o sinal do encoder tambm enviado para o PC via porta serial a fim de poder ser recolhida a posio angular do veio do motor. Na placa de DSP, so efetuados os clculos do algoritmo de controle (PID ou outro), obtendo-se um sinal de controle digital, que ter de ser convertido para um sinal analgico atravs de um conversor D/A. Neste caso, o atuador constitudo por um amplificador de potncia de modo a poder atuar o motor. Assim, o computador e placa dedicada de DSP funcionam como um regulador digital de posio (servomecanismo), realizando a ao de controle atravs de um programa escrito numa linguagem de alto nvel (Basic, Fortran, C, C++, Visual Basic, etc...).

Fig.2.14. Sistema de regulao digital de posio de um motor eltrico.

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2.4 Exemplos de Sistemas de Controle e Regulao Industrial

Robs manipuladores -Os manipuladores mecnicos (robs), so usados freqentemente na indstria para aumentar a produtividade. Os robs podem realizar trabalhos montonos e complexos, sem produzirem erros durante o funcionamento. Para, alm disso, podem operar em ambientes intolerveis para os seres humanos.

Fig.2.15a.Sistema robtico, com utilizao de cmara de vdeo para a deteco de objetos, a sua posio e orientao.

Fig.2.15b.Diagrama de Blocos do Sistema com Viso

O Rob Industrial constitudo por uma parte mecnica, construda das mais diversas formas e geometrias. No entanto, deve possuir pelo menos um ombro, um brao e um punho, e desenvolver a potncia suficiente para manipular as peas durante o ciclo de trabalho. Deve possuir tambm uma srie de sensores (posio, velocidade, fora, etc..), que so instalados nas diversas partes da estrutura mecnica. Num rob de elevada qualidade, pode ser tambm instalado um sistema de viso artificial (Ex: cmara de vdeo), para detectar a presena de um objeto a manipular, a sua localizao e a respectiva orientao. O sistema de controle do Rob (computador digital), efetua a operao de manipulao do objeto, de acordo com o programa especificado pelo utilizador.

Mquina-ferramenta com comando CNC - Na Fig.2.16, podemos observar uma Mquina-ferramenta com controle numrico (CNC Computer Numeric Control), para a usinagem de peas com perfis complexos (Ex: rotor de um compressor centrfugo). Neste caso, as coordenadas da pea, so introduzidas atravs de uma disquete, e o controlador digital envia os respectivos sinais de controle para o sistema de maquinao de modo a reproduzir a pea. A realimentao do sistema (feedback), garante que o perfil da pea ir ser executado com a preciso desejada.Controle de processos industriais o caso mais usual de aplicao de sistemas de controle, quer na indstria em geral, quer no caso de instalaes martimas em particular. A ttulo de exemplo, podem-se referir os seguintes casos:i) Controle de temperatura de um trocador de calor; ii) Controle de nvel de uma caldeira; iii) Controle de velocidade de uma turbina a vapor; iv) Controle de presso de vapor numa tubulao; v) Controle do ngulo de leme de um navio (piloto automtico).

Fig.2.16.Sistema CNC de uma mquina-ferramenta.

2.5 Controladores Automticos Industriais

2.5.1 IntroduoUm controlador automtico tem como funo produzir um sinal de controle que anule o erro (desvio), ou o reduza a um valor muito pequeno. O controlador compara o valor real da sada do processo com o valor desejado (set-point), determina o erro ou desvio, e produz o respectivo sinal de comando para o atuador. Os controladores podem ser classificados de acordo com o tipo de tecnologia utilizada na sua construo. Deste modo, poderemos ter:- Controladores pneumticos- Controladores hidrulicos- Controladores eletrnicos (analgicos e digitais)A seleo do tipo de controlador dever ser estudada caso a caso, visto que ir depender da natureza do processo, energia disponvel, condies de segurana, custo, preciso, confiabilidade, peso e dimenses do equipamento.

2.5.2 Aes de Controle BsicasA realizao do sinal de comando pelo controlador, pode ser obtida de diversas formas, designadas por "aes de controle ou de regulao", o que nos permite classificar os controladores da seguinte forma:

- Controladores de duas posies (ON-OFF)- Controladores Proporcionais (P)- Controladores do tipo Integral (I)- Controladores do tipo Proporcional +Integral (P +I)- Controladores do tipo Proporcional +Derivativo (P +D)- Controladores do tipo Proporcional +Integral +Derivativo (P +I +D)

O controlador executa diversas funes que poderemos descrever da seguinte forma: em primeiro lugar detectado o sinal de erro, normalmente de baixo nvel de potncia, pelo que o controlador deve possuir um rgo que permita amplific-lo a um nvel suficiente elevado.A sada de um controlador ligada a um dispositivo de potncia, como por exemplo, uma vlvula pneumtica, motor hidrulico ou eltrico.Na Fig.2.17 podemos observar um diagrama de blocos de um controlador industrial, bem como o elemento de medida (sensor). O controlador formado por um detector de erro (ponto de soma) e um algoritmo de controle + amplificador. O elemento de medida converte a varivel de sada em uma outra varivel, como seja um deslocamento, presso ou sinal eltrico que utilizado para comparar a sada em relao ao sinal de entrada de referncia. Este elemento constitui o ramo de realimentao do sistema em anel fechado. O ponto de ajuste do controlador deve ser convertido numa entrada de referncia com as mesmas unidades do sinal de realimentao do elemento de medida. O amplificador tem como funo amplificar a potncia do sinal de sada do controlador, de modo a poder operar o atuador. O atuador tem como funo alterar a entrada do processo de acordo com o sinal de controle, de modo a que a sada do processo seja igual ou o mais prxima possvel do valor de referncia (set-point).

Fig.2.17.Diagrama de blocos de um sistema de controle automtico.

2.5.2.1 Ao de Controle de duas posies (ON-OFF)Este sistema de controle apresenta a vantagem de ser simples e barato, o que se traduz na sua grande aplicao, tanto em sistemas industriais como domsticos. Neste sistema, o elemento possui apenas duas posies fixas, que so a de ligado ou desligado. Considerando o sinal de sada do controlador u(t) e o sinal de erro e(t), num controle deste tipo, o sinal u(t) permanece ou num valor mximo ou num valor mnimo, dependendo do sinal de erro ser positivo ou negativo.Assim:

u(t)=M1 para e(t)>0 M1, M2 = constantes

u(t)=M2 para e(t)0).

Controlador Eletrnico PI - A montagem tpica deste controlador, baseia-se essencialmente num amplificador de ganho, amplificador integrador e amplificador somador para efetuar a soma das aes P e I. O esquema tpico deste controlador, est representado na Fig.2.26b.

Deste modo, a funo de transferncia relativa ao controlador PI eletrnico, ser dada por:

NOTA: Para obter Vout positivo, teramos que introduzir um inversor na sada do controlador.

Fig.2.26aEsquema simplificado de um controlador eletrnico proporcional.

Fig.2.26bEsquema simplificado de um controlador eletrnico analgico PI.

Controlador eletrnico PID - A montagem tpica deste controlador, baseia-se essencialmente em: amplificador de ganho, amplificador integrador, amplificador diferenciador e amplificador somador para efetuar a soma das aes P, I e D. O esquema tpico deste controlador, est representado na Fig.2.27. Deste modo, a funo de transferncia do controlador PID eletrnico, ser dada por:

NOTA: Para obter um Vout positivo, teramos que introduzir um inversor na sada do controlador.

Fig.2.27Esquema simplificado de um controlador eletrnico analgico PID.

2.7 Reguladores DigitaisAs aes de controle num regulador digital so inteiramente realizadas por programas (software), executados em microprocessadores dedicados. Estas aes so calculadas numericamente de modo a reproduzir as aes de controle contnuas ou analgicas anteriormente apresentadas. Assim, vamos descrever de uma forma resumida a forma de implementao das trs aes mais importantes (proporcional, integral e derivativa) num regulador ou controlador digital.

Ao proporcional No programa de regulao, o erro geralmente calculado em percentagem do valor total da gama (escala de medida), ou seja:

conveniente que o erro seja expresso em percentagem do valor total da gama de medida. Deste modo, todos os ganhos so determinados em funo do erro que uma percentagem da gama.Assim, o erro determina uma alterao da sada expressa tambm em percentagem do valor total da escala.No programa de computador, o erro poderia ser calculado da seguinte forma:

Em que:

A ao de controle proporcional ser dada por:

Em que P0 o valor da sada do regulador para um erro nulo.

Em termos de programao, teramos:

Em que:ROUT= valor Maximo da escala de sada do reguladorPOUT= Sada correspondente ao proporcional

Ao de controle integral A ao de controle integral dada por:

Em que P(0) o valor da ao integral no instante inicial.Conforme conhecido da anlise numrica, o integral pode ser obtido atravs do mtodo de integrao retangular, que corresponde a fazer a seguinte aproximao:

Em que:

Em termos de programao, iramos ter:

Em que:

Existem diversas formas alternativas de calcular a ao integral. Uma das formas mais usuais consiste em utilizar integrao trapezoidal.

Ao derivativa A ao de controle derivativa, dada por:

Uma forma possvel de calcular a derivada consiste em fazer a seguinte discretizao, tambm conhecida pela aproximao de Euler:

Assim, em termos de programao, teramos:

Ao de controle PID A ao de controle PID, pode ser programada recorrendo soma das trs aes de controle anteriormente apresentadas.Assim, teramos:

Este pseudocdigo pode ser programado numa linguagem especfica (FORTRAN, BASIC, C, etc...) e introduzido na memria do controlador digital, a fim de ser executado em tempo real.

2.8 Ajuste timo dos Controladores IndustriaisExistem muitos mtodos na literatura especializada para efetuar o ajuste automtico dos parmetros dos controladores. Pelo seu carter histrico, vamos apresentar o mais conhecido dos mtodos de ajuste de controladores, desenvolvido por Ziegler e Nichols (1941), e que conhecido por 2 mtodo de Ziegler-Nichols.

2.8.1 Mtodo baseado na Sensibilidade Crtica (2 Mtodo)Este mtodo faz uso de uma curva de resposta tpica do sistema em anel fechado, de acordo com o esquema representado na Fig.2.28. Neste mtodo, admite-se um mximo sobre-impulso (overshoot) de 25% na sada do processo c(t), ou seja:

Fig.2.28.Sistema de controle proporcional em Malha fechada.

Fig.2.29a.Resposta a um degrau unitrio, com um mximo de 25% de mximo sobre-impulso (Mp).

Fig.2.29bOscilao limite estacionria de perodo Pcr.

Para aplicar este mtodo, devem-se seguir os seguintes passos:1) No caso do controlador possuir aes de controle integral e derivativa, estas devem ser retiradas, ficando o controlador a funcionar somente com ao proporcional (Kp).2) Aumenta-se o ganho, at se obter o valor limite Kcr correspondente a uma oscilao uniforme da varivel controlada (Fig.2.29b). Isto implica que se aumentar o ganho para alm deste valor, a oscilao ir aumentar. Por outro lado, se o ganho baixar, a oscilao ir amortecer-se progressivamente.3) Anote os valores de ganho proporcional crtico (Kcr) e perodo correspondente oscilao crtica (Pcr).4) Introduza os valores lidos no ponto 3 na TABELA 2.1, de modo a obter os parmetros timos do controlador para o processo estudado.

TABELA 2.1

TABELA 2.2

NOTA: Os valores desta tabela 2.2 so iniciais e consideram que o controlador PID se baseia na expresso ideal ou srie. No se aplicam a todos os tipos de controladores PID existentes na indstria. (Fonte: Expertune).Hoje em dia, j existem programas comerciais para computador que permitem efetuar o ajuste automtico dos parmetros dos controladores, aplicveis a uma vasta gama de marcas e de modelos.

2.9 Exemplo de Aplicao IndustrialNum sistema de regulao, pretende-se controlar a temperatura da gua sada de um trocador de calor, com escala do transdutor de medida [0 ; 200] C (Fig.2.30). Admita que o valor desejado para regulao 70C, e que o sistema de medida fornece um valor de 30C quando a vlvula de regulao do tipo pneumtico est toda aberta (Presso = 3 psi na sada do controlador) e que para 110C est toda fechada (Presso = 15 psi na sada do controlador).Deste modo, determine a B.P. (banda proporcional), do controlador.

Resoluo:Diz-se neste caso que a vlvula do tipo ar para fechar, ou seja vai fechando medida que aumenta a presso de regulao. Assim, a Banda Proporcional, seria dada por:

Se por exemplo quisssemos ter uma B.P. =100%, ento teramos a seguinte variao total da temperatura controlada de 100 C em torno do set-point (70 C), ou seja:

Fig.2.30.Sistema de regulao pneumtica de temperatura.

Na Fig.2.31, esto representadas as retas correspondentes s B.P. de 0%, 40% e 100%. Da anlise destas retas, podemos verificar que para um valor de B.P de 0%, a variao de erro nula em torno da varivel controlada (70 C), pelo que teremos uma reta vertical. Para esse caso, o ganho proporcional Kp, dado que o inverso da B.P. teria que ser infinito, o que no possvel de obter na prtica. Deste modo, ir existir sempre um erro em regime estacionrio para um sistema controlado atravs de um controlador com ao proporcional. Este erro designado por erro esttico ou off-set.Por outro lado, para uma B.P.=100%, podemos verificar que a vlvula no abre totalmente pois o valor mnimo da gama do sensor de temperatura 0 C e no 30C conforme indicado na expresso anterior. Para a B.P. de 40% temos uma banda de erro de 40C em torno do set-point de 70 C, ou seja, uma variao total de 80 C para a variao total da sada do controlador (3-15 psi). Esta gama de valores corresponde a uma gama de variao de (0 100%) de abertura da vlvula de regulao.O ganho proporcional Kp o inverso da B.P. sendo dado por:

Podamos tambm obter este valor a partir da B.P. Assim, teramos:

Da anlise da equao que rege o funcionamento do controlador proporcional, verifica-se que a ao de regulao s se altere caso o erro tambm varie. Assim, quando o erro estabilizar num determinado valor a ao de regulao ir igualmente estabilizar e manter-se constante. Isto quer dizer que a ao de regulao mantm a sua ao corretiva constante, caso o erro se mantenha constante, mesmo que a sada do processo se afaste do valor de ajuste ou set-point.Neste caso, diz-se que o sistema exibe um determinado erro em regime estacionrio ou off-set.Deste modo, necessrio ter um certo cuidado no ajuste da B.P. do controlador de modo a evitar oscilaes muito bruscas ou aes de resposta bastante lentas.Vamos exemplificar atravs de um exemplo muito simples a forma de ajuste da B.P. e o problema do off-set caracterstico do controlador proporcional.

Fig.2.31.Grficos de evoluo das B.P. de 0%, 40% e 100%, para o sistema de regulao de temperatura.

Considere um reservatrio que recebe gua quente e fria. A temperatura da gua na sada do tanque regulada por um controlador de temperatura que atua sobre a vlvula de alimentao de gua fria. No equilbrio resultante da mistura de vazo de gua quente (100 litros/h; 80 C) e de gua fria (100 litros/h; 20 C), ir resultar:

Considere-se que a B.P. foi ajustada de tal maneira que para cada 1C de erro de temperatura relativamente temperatura desejada (50C), a vlvula de gua fria recebe um sinal do controlador que faz variar a vazo de 10 l/h.Considere-se agora que devido a uma perturbao na gua na sada baixou para 48C. Como o controlador est ajustado para 50C, vai dar origem a um sinal para a vlvula de modo que esta diminua a vazo de gua fria de 20 l/h, pelo que este ir passar para 80 l/h. Neste caso, a nova temperatura de equilbrio resultante da mistura ser dada por:

A temperatura de equilbrio passa agora para 53C. Deste modo, o controlador vai aumentar a vazo de gua fria em 30 l/h, pelo que este ir passar para 130 l/h. Neste caso, a nova temperatura de equilbrio resultante da mistura ser dada por:

Como se podem ver os erros de temperatura esto a aumentar, o que significa que o ganho do controlador excessivo, pelo que dever ser reduzido de modo a ir reduzindo aos poucos as diferenas de temperatura e, por conseguinte as oscilaes na temperatura regulada.

Suponhamos agora que a temperatura de gua quente passou de 80C para 90C. Deste modo aplicando o raciocnio anteriormente apresentado, iramos obter as variaes da vazo de gua fria e de temperatura de mistura para o ganho de 5 l/h por cada erro de 1C na temperatura da gua de mistura, representadas na Fig.2.32.Da anlise dos grficos da Fig.2.32, verifica-se que por mais tentativas que o controlador faa, a temperatura ir estabilizar num valor diferente de 50C. Verifica-se que o sistema converge para uma temperatura em regime estacionrio de 52.5C, que corresponde a um erro esttico de 2.5C, (off-set). Como evidente este off-set ser tanto menor quanto maior for o ganho proporcional Kp.No entanto, somente com ao proporcional no possvel remov-lo completamente, para alm de que ao aumentar-se Kp, iro aumentar as oscilaes anteriormente referidas. Estas oscilaes so altamente indesejveis em termos de regulao. Deste modo, a soluo mais usual consiste em adicionar ao integral ao controlador de modo a remover o erro em regime estacionrio.

Fig.2.32.Evoluo do caudal e da temperatura de gua fria quando o caudal de gua quente sofre uma variao de +10C.

Adio de ao integral ao controlador proporcionalConforme visto anteriormente, define-se tempo integral Ti como sendo o tempo que a ao integral demora a atingir igual valor da ao proporcional. Devido a esta caracterstica, em diversos controladores aparece a designao de minutos por repetio M.P.R. (NOTA: Ti normalmente expresso em segundos ou em minutos).Existe uma outra unidade de ajuste da ao integral que o inverso do tempo integral, designada por Repeties Por Minuto R.P.M. Esta unidade definida da seguinte forma:

Vamos agora supor que num sistema de regulao PI de temperatura, o set-point 100C, a BP =75% e que surge bruscamente um erro de 25C, ou seja, que a temperatura baixou para 75C. De acordo com a reta de regulao representada na Fig.2.33, devido ao proporcional de ganho:

Iremos ter uma ao de regulao de:

Que corresponde a uma abertura da vlvula

Esta abertura corresponde na Fig.2.33 ao ponto B. No entanto devido ao integral, a vlvula ir continuar a abrir, atingindo ao fim de um certo tempo, por exemplo, o ponto C. Isto quer dizer que o percurso da vlvula ABC corresponde na prtica ao percurso AC.Como se pode ver no grfico, a reta AC corresponde a uma B.P. bastante menor (ganho proporcional muito maior), que neste caso corresponde a 30%. Por esta razo, o controlador PI pode produzir uma resposta bastante oscilatria.

Anlise da evoluo temporal das aes de controleVamos agora analisar a situao em que temos um grfico de erro a variar no tempo de acordo com um diagrama temporal conhecido. Deste modo vamos considerar o exemplo inicial, em que o controlador tem como parmetros BP =40% e Ti =20 s. Considere igualmente que surge um erro na temperatura da gua sada do tanque, de acordo com o grfico temporal da Fig.2.34.

Fig.2.33Exemplo de aplicao de um controlador com ao PI.

Fig.2.34.Evoluo temporal do sinal de erro entrada do controlador.Pretende-se determinar a evoluo da sada do controlador PI.

Resoluo:Da anlise do grfico do erro, verifica-se que:

Logo, de acordo com o grfico da Fig.2.31, verifica-se que estando T acima de 70C, a presso de regulao ir subir acima de 9 psi. Portanto este diagrama de erro tem como conseqncia um aumento de presso de ar para a vlvula de modo a que esta feche uma determinada vazo de vapor a fim de baixar a temperatura da gua. Deste modo, teremos:

1) Ao proporcional (P) (NOTA: Considere neste caso que Kp=1.2 psi/C.)Trao [0 30 s]

Trao [30 60 s]

Trao [60 80 s]Para t =90s a ao proporcional de 9 psi, visto que o erro nulo.

Concluso: o grfico da ao proporcional do mesmo tipo do grfico do erro visto que Up proporcional ao erro.

2)Ao integral (I)Trao [0 30 s]

Trao [30 60 s]

Trao [60 80 s]Neste caso, para simplificar os clculos vamos considerar que o eixo dos tempos deslocado para t =60seg. Deste modo, obtm-se:

Na Fig.2.35 est representado o grfico de evoluo das aes de regulao P, I bem como a soma da ao de regulao P+ I.

Adio de ao derivativaNo caso de se pretender adicionar ao derivativa, com Td =6 seg., teramos:

3) Ao derivativa (D)Trao [0 30 s]

Trao [30 60 s]

Trao [60 80 s]

Neste caso o grfico das aes de regulao P, I e D bem como da ao PID est representado na Fig.2.36.

Fig.2.35.Evoluo das aes de regulao P, I e PI para o exemplo anterior.

Fig.2.36.Evoluo das aes de regulao P, I, D e PID para o exemplo anterior.

2.10 Malhas de Controle

2.10.1 IntroduoA malha de controle a realimentao negativa (feedback) convencional com entrada nica e sada nica (single input-single output) o ncleo da maioria das estruturas de controle de processo. Porm, ultimamente, foram desenvolvidas estruturas mais complexas que podem, em alguns casos, melhorar significativamente o desempenho do sistema de controle.A maioria das malhas de controle possui uma nica varivel controlada. A minoria dos sistemas mais complexos requer o controle mais avanado, envolvendo mais de uma varivel, ora para manipular mais de um elemento final de controle, ora para monitorar mais de uma varivel controlada. Estes sistemas, que so repetidos freqentemente com pequenas modificaes, so conhecidos como sistemas unitrios de controle, sistemas estruturados de controle ou sistemas de controle multivarivel. Eles so clssicos e podem ser disponveis em instrumentos especiais, com as mltiplas funes para atender as aplicaes mais complexas, facilitar a instalao, manuteno e operao.Cada sistema unitrio de controle encontra sua aplicao especifica. A caracterstica comum dos sistemas que so manipuladas e medidas muitas variveis simultaneamente, para se estabelecer o controle, no menor tempo possvel e com o melhor rendimento do processo.Sero tratados aqui e agora os conceitos e smbolos dos controles estruturados, que podem servir como blocos constituintes de um projeto completo de instrumentao. O controle pode ser implementado atravs das seguintes estratgias:a) Controle Contnuo Linear Realimentao negativa Cascata Preditivo antecipatrio Relaob) Controle com sadas mltiplas Balano de cargas Faixa divididac) Malhas redundantes Reserva (backup) redundante Tomada de malha integral Controle de posio da vlvula

2.10.2 Realimentao negativaO objetivo do controle com realimentao negativa controlar uma varivel medida em um ponto de ajuste. O ponto de ajuste nem sempre aparente ou facilmente ajustvel. Os estados operacionais so automticos e manuais. Os parmetros operacionais so o ponto de ajuste (em automtico) e a sada (em manual).Os valores monitorados so o ponto de ajuste, a medio e a sada. (monitorar no significa necessariamente indicar.)A realimentao negativa mais um conceito do que um mtodo ou um meio. No sistema com realimentao negativa sempre h medio (na sada), ajuste do ponto de referncia, comparao e atuao (na entrada).A sada pode alterar as variveis controladas, que pode alterar a varivel medida. O estado da varivel medida realimentado para o controlador para a devida comparao e atuao.

Fig.2.37.Esquema da realimentao negativa.

Em resumo, esta a essncia do controle realimentao negativa. irrelevante se h seis elementos na fig.2.38 e apenas um na vlvula auto-regulada de presso fig.2.39. Na vlvula auto-operada, os mecanismos esto embutidos na prpria vlvula, no h display e os ajustes so feitos de modo precrio na vlvula ou nem so disponveis. Na malha de controle convencional, os instrumentos podem ter at circuitos eletrnicos microprocessados. irrelevante tambm se as variveis medida e manipulada so as mesmas na malha de vazo ou diferentes na malha de presso. O conceito de controle a realimentao negativa, independente do meio ou mtodo de sua realizao.

Fig.2.38.Malha de controle de vazo.

Fig.2.39. Reguladora de presso.

Na malha de controle de vazo da Fig.2.38, a vazo sentida pela placa (FE), o sinal transmitido (FT), extrada a raiz quadrada (FYA) e finalmente chega ao controlador (FIC).Este sinal de medio comparado com o ponto de ajuste (no mostrado na figura) e o controlador gera um sinal (funo matemtica da diferena entre medio e ponto) que vai para a vlvula de controle (FCV), passando antes por um transdutor corrente para pneumtico (FY-B), que compatibiliza a operao do controlador eletrnico com a vlvula com atuador pneumtico. A atuao do controlador tem o objetivo de tornar a medio igual (ou prxima) do ponto de ajuste.Na vlvula auto-regulada acontece a mesma coisa, porm, envolvendo menor quantidade de equipamentos. O valor da presso a ser controlado levado para um mecanismo de comparao que est no atuador da vlvula. No mecanismo h um ajuste do valor da presso a ser controlado.Automaticamente a vlvula vai para a posio correspondente presso ajustada. Nos dois sistemas sempre h:1. medio da varivel controlada2. ajuste do valor desejado3. comparao entre medio e ajuste4. atuao para tornar medio igual ao ponto de ajuste. Enquanto a medio estiver igual ao ponto de ajuste (situao ideal), a sada do controlador est constante (cuidado! No igual a zero!). S haver atuao (variao na sada) quando ocorrer diferena entre medio e ponto de ajuste.A maioria absoluta dos sistemas de controle se baseia no conceito de realimentao negativa. Embora seja lento e susceptvel oscilao, ele o mais fcil de ser realizado.A minoria dos sistemas utiliza outras estratgias de controle ou combinao de vrias malhas a realimentao negativa. O advento da instrumentao microprocessada (chamada estupidamente de inteligente) permite a implementao econmica e eficiente de outras tcnicas de controle.

2.10.3 Controle Cascata

2.10.3.1 IntroduoO controle cascata permite um controlador primrio regular um secundrio, melhorando a velocidade de resposta e reduzindo os distrbios causados pela malha secundria. Uma malha de controle cascata tem dois controladores com realimentao negativa, com a sada do controlador primrio (mestre) estabelecendo o ponto de ajuste varivel do controle secundrio (escravo). A sada do controlador secundrio vai para a vlvula ou o elemento final de controle. O controle cascata constitudo de dois controladores normais e uma nica vlvula de controle, formando duas malhas fechadas. S til desdobrar uma malha comum no sistema cascata quando for possvel se dispor de uma varivel intermediria conveniente mais rpida.A Fig. 2.40 um diagrama de blocos do conceito de controle de cascata, mostrando as medies (primaria e secundaria), o ponto de ajuste do primrio estabelecido manualmente e o ponto de ajuste do secundrio estabelecido pela sada do controlador primrio.

Fig.2.40.Diagrama de blocos do controle cascata.A caracterstica principal do controle cascata a sada do controlador primrio ser o ponto de ajuste do secundrio. O controlador primrio cascateia o secundrio.

A Fig.2.41 um exemplo de um controle convencional de temperatura, envolvendo uma nica malha. Na Fig.2.42 tem-se controle de cascata. ( interessante notar como um esquema simples pode esconder fenmenos complexos. Por exemplo, eventualmente a reao da figura pode ser exotrmica e nada percebido)

Fig.2.41.Controle convencional de temperatura.

Fig.2.42.Controle de cascata temperatura temperatura.

No controle cascata a temperatura do vaso (mais lenta) cascateia a temperatura da jaqueta (mais rpida). Quando houver distrbio no vapor fazendo a temperatura da jaqueta cair, o controlador secundrio corrige esta variao mais rapidamente que o controlador primrio.

Fig.2.43.Controle Cascata: controlador de nvel estabelece ponto de ajuste no de vazo

2.10.3.3 ConceitoO controle em cascata divide o processo em duas partes, duas malhas fechadas dentro de uma malha fechada. O controlador primrio v uma malha fechada como parte do processo. Idealmente, o processo deve ser dividido em duas metades, de modo que a malha secundaria seja fechada em torno da metade dos tempos de atraso do processo.Para timo desempenho, os elementos dinmicos no processo devem tambm ser distribudos eqitativamente entre os dois controladores. fundamental a escolha correta das duas variveis do sistema de cascata, sem a qual o sistema no se estabiliza ou no funciona.1. a varivel primaria deve ser mais lenta que a varivel secundaria.2. a resposta da malha do controlador primrio deve ser mais lenta que a do primrio. 3. o perodo natural da malha primria deve ser maior que o da malha secundaria.4. o ganho dinmico da malha primria deve ser menor que a da primria.5. a banda proporcional do controlador primrio deve ser mais larga que a do controlador secundrio.6. a banda proporcional do controlador primrio deve ser mais larga que o valor calculado para o seu uso isolado,Quando os perodos das malhas primrias e secundrias so aproximadamente iguais, o sistema de controle fica instvel, por causa das variaes simultneas do ponto de ajuste e da medio da malha secundria.Usualmente, o controlador primrio P + I + D ou P + I e o secundrio P + I.As combinaes tpicas das variveis primrias (P) e secundaria (S) no controle em cascata so: temperatura (P) e vazo (S), composio (P) e vazo (S), nvel (P) e vazo (S), temperatura (P) e presso (S) e temperatura lenta (P) e temperatura rpida (S).Quando o controlador secundrio de vazo e recebe o sinal de um transmissor de presso diferencial associado a placa de orifcio, deve se usar o extrator de raiz quadrada, para linearizar o sinal da vazo, a no ser que a vazo esteja sempre acima de 50% da escala.Quando se tem controle de processo em batelada ou quando o controlador secundrio est muito demorado, pode ocorrer a saturao do modo integral. Um modo de se evitar esta saturao fazendo uma realimentao externa do sinal de medio do controlador secundrio ao circuito integral do controlador primrio. Em vez do circuito integral receber a realimentao do sinal de sada do controlador, ele recebe a alimentao do sinal de medio do controlador secundrio.

2.10.3.3 ObjetivosH dois objetivos do controle cascata:1. eliminar os efeitos de alguns distrbios (variaes da carga prximas da fonte de suprimento)2. melhorar o desempenho dinmico da malha de controle, reduzindo os efeitos do atraso, principalmente do tempo morto.Para ilustrar o efeito da rejeio do distrbio, seja o refervedor (reboiler) da coluna de destilao. Quando a presso de suprimento do vapor aumenta, a queda da presso atravs da vlvula de controle ser maior, de modo que a vazo de vapor ir aumentar. Com o controlador de temperatura convencional, nenhuma correo ser feita at que a maior vazo de vapor aumente a temperatura na bandeja 5. Assim, o sistema inteiro perturbado por uma variao da presso do suprimento de vapor.Com o sistema de controle cascata, com a temperatura da coluna cascateando a vazo de vapor, o controlador de vazo do vapor ir imediatamente ver o aumento na vazo de vapor e ir fechar a vlvula de vapor para fazer a vazo de vapor voltar para o seu ponto de ajuste. Assim o refervedor e a coluna so pouco afetados pelo distrbio na presso de suprimento do vapor.Outro sistema de controle cascata envolve um processo com resfriamento de um reator, atravs da injeo de gua na jaqueta. A controlador da temperatura do reator o primrio; o controlador da temperatura da jaqueta o secundrio. O controle de temperatura do reator isolado pelo sistema de cascata dos distrbios da temperatura e presso d'gua de resfriamento da entrada.Este sistema mostra como o controle cascata melhora o desempenho dinmico do sistema. A constante de tempo da malha fechada da temperatura do reator ser menor quando se usa o sistema cascata.

2.10.3.4 VantagensAs vantagens do sistema de cascata so:1. os distrbios que afetam a varivel secundaria so corrigidos pelo controlador secundrio, que mais rpido, antes que possam influenciar a medio primaria.2. o atraso de fase existente na parte secundaria reduzido pela malha secundaria, melhorando a velocidade de resposta da malha primaria.3. a malha secundaria permite uma manipulao exata da vazo de produto ou energia pelo controlador primrio.2.10.3.5 Saturao do modo integralO controle em cascata utilizado para eliminar os efeitos de pequenos distrbios no processo.Em aplicaes do controle em cascata sempre h a possibilidade de haver a saturao dos dois controladores. O problema da saturao do modo integral criado pela excurso da carga do processo alm da capacidade da vlvula de controle. A vlvula ir ficar saturada em seu limite externo, 0 ou 100%, totalmente fechada ou aberta, fazendo com que haja um desvio permanente entre a medio e o ponto de ajuste do controlador primrio. Se no for tomada nenhuma providncia, o controlador primrio ir saturar.Como conseqncia, o controlador secundrio tambm ir saturar.Uma soluo simples e prtica utilizar a medio da varivel secundaria como realimentao externa para o modo integral do controlador primrio. Convencionalmente, o controlador primrio realimentado pela sua prpria sada que o ponto de ajuste do controlador secundrio. Quando o controlador secundrio estiver em operao normal, o seu ponto de ajuste coincide com a medio e o funcionamento da malha igual ao modo convencional. Se houver uma diferena entre a medio e o ponto de ajuste do secundrio, a ao integral do controlador primrio fica estacionria e s restabelecida quando a malha secundaria voltar a normalidade.O que se fez, realmente, nessa nova configurao foi incluir a resposta dinmica da malha secundaria dentro do circuito integral do controlador primrio. A ao integral do controlador primrio pode ser maior que a usual pois qualquer atraso ou variao na resposta da malha secundaria corrigido pela ao do controlador primrio.H ainda uma vantagem adicional: o controlador primrio raramente precisa ser transferido para manual. Quando o controlador secundrio estiver em manual, o controlador primrio no poder saturar, pois quebrada a realimentao positiva para o seu modo integral.Dois requisitos so essenciais ao novo sistema:1. o controlador primrio deve ter disponvel a opo de realimentao externa ao modo integral.2. o controlador secundrio comum, porm, no pode haver desvio permanente entre sua medio e seu ponto de ajuste. Ou, em outras palavras, o controlador secundrio deve ter, obrigatoriamente, a ao integral, para eliminar sempre o desvio permanente.

2.10.3.6 Aplicaes

Reator com temperatura e pressoSeja a malha de controle de temperatura do produto de um reator, feito atravs da manipulao da vazo de entrada de vapor.Quando a presso do vapor cai, o seu poder de aquecimento diminui. Para uma mesma vazo, tem-se uma diminuio da temperatura do produto. Essa diminuio do efeito de aquecimento do vapor s sentida pela malha de temperatura. O elemento primrio sentir a diminuio da temperatura e ir aumentar a abertura da vlvula. Essa correo demorada. Nesse intervalo de tempo, se houver a recuperao da presso original, certamente haver um super aquecimento. Essa oscilao pode se repetir indefinidamente, com o processo nunca se estabilizando, pois a sua inrcia muito grande. O controle do processo sensivelmente melhorado com o controle em cascata.O controle de temperatura do reator anterior melhorado colocando-se um outro controlador de presso na entrada da alimentao de vapor. Agora, tem-se o controlador de presso cascateado pelo controlador de temperatura. A sada do controlador de temperatura, chamado de primrio, estabelece o ponto de ajuste do controlador de presso, chamado de secundrio. Nessa nova configurao, quando houver a diminuio da presso de vapor, mesmo com a vazo constante, o controlador de presso ir abrir mais a vlvula, para compensar a menor eficincia do vapor. As variaes de presso da alimentao do vapor so corrigidas rapidamente pela malha de presso e em vez de serem corrigidas lentamente pela malha de temperatura.

Reator com temperatura cascateando temperatura possvel se ter uma varivel cascateando outra varivel da mesma natureza, por exemplo, temperatura cascateando a temperatura.Uma aplicao tpica a do controle de temperatura de reator, com aquecimento de vapor em jaqueta externa. As variaes da temperatura do produto so mais lentas e demoradas que as variaes da temperatura da jaqueta de aquecimento. Nessas condies, pode-se usar a temperatura do produto como a varivel primaria e a temperatura do aquecimento externo como a secundaria.Quando houver variaes na temperatura da jaqueta, a correo feita diretamente pelo controlador secundrio.

Fig.2.44.Controle de temperatura convencional

Fig.2.45.Controle cascata temperatura presso2.11 Controle de Faixa Dividida

2.11.1 ConceitoO objetivo de estender ou dividir a faixa alterar a faixa normal de um elemento final da que ele dispe, aumentando ou diminuindo-a.Este controle chamado de split range. Por exemplo, em vez de a vlvula operar entre 20 e 100 kPa (normal), ela opera entre 20 e 60 kPa (metade inferior) ou entre 60 e 100 kPa (metade superior).O controle de faixa dividida ou de split range consiste de um nico controlador manipulando dois ou mais elementos finais de controle. Neste controle, mandatrio o uso do posicionador da vlvula. Os posicionadores so calibrados e ajustados e as aes das vlvulas so escolhidas para que os elementos finais de controle sejam manipulados convenientemente.Por exemplo, uma vlvula pode operar de 0 a 50% do sinal e a outra de 50 a 100% do sinal de sada do controlador.

2.11.2 Aplicaes

Aquecimento e resfriamento

A Fig.2.47 mostra um esquema de controle de temperatura para um processo batelada (batch), usando um tanque de reao qumica que requer a temperatura de reao constante. Para comear a reao o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vazo de vapor atravs da serpentina. Depois, a reao exotrmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requer uma vazo de fluido refrigerante, atravs de outra (ou da mesma) serpentina.O controle suave da temperatura conseguido pelo seguinte sistema bsico:1. a sada do controlador de temperatura varia gradualmente quando a temperatura do tanque aumenta2. quando o controlador solicita que a vlvula de aquecimento esteja totalmente aberta, a vlvula de resfriamento deve estar totalmente fechada;3. quando o controlador solicita que a vlvula de resfriamento esteja totalmente aberta, a vlvula de aquecimento deve estar totalmente fechada;4. no meio do caminho, ambas as vlvulas devem estar simultaneamente fechadas, de modo que no haja nem aquecimento nem resfriamento.5. cada vlvula se move de modo contrrio e seqencial outra.

Fig.2.46.Sistema de controle de faixa dividida

Temperatura com dois combustveisTambm h aplicaes envolvendo o aquecimento por dois combustveis, onde a primeira vlvula A (do combustvel mais barato) atuada pela sada do controlador, indo de 0 a 100% de abertura. Depois de totalmente aberta, a segunda vlvula B (do combustvel mais caro) comea a atuar, indo tambm de 0 a 100%. Neste caso, pode-se ter as duas vlvulas totalmente fechadas (no incio do processo) ou totalmente abertas, (no mximo aquecimento) simultaneamente.

Fig.2.47.Sistema com dois Combustveis

Fig.2.48.Controle de Faixa Dividida

2.12 Balano de CargasO objetivo do controle com balano de carga permitir a regulao da sada comum (somada) de vrias malhas. Os estados operacionais so qualquer combinao dos estados normais de operao das malhas individuais. Qualquer malha pode estar em manual e a malha externa ainda tenta manter a vazo total em seu ponto de ajuste. Os parmetros operacionais so os de todos os controladores, incluindo o controlador mais externo que balanceia a carga. (Isto no quer dizer que todas as combinaes sejam teis.)

Fig.2.49.Controle de balano de cargas

2.13 Controle de malhas redundantesO objetivo do controle com malhas redundantes fornecer controle mesmo quando h falha de uma malha, ou fazer controladores operarem em tempos diferentes, atravs da incluso de aes de controle ou ajustes de ganho ou em pontos diferentes, atravs de diferentes pontos de ajuste.

Fig.2.50.Backup simples, malhas redundantes.

Fig.2.51.Malhas redundantes com ajustes de ganhos diferentes (controlador com maior ganho atua primeiro)

A ao integral torna o controlador mais lento, de modo que um controlador PI mais lento que um controlador P. A ao derivativa torna o controlador mais rpido, de modo que um controlador PID mais rpido que um controlador PI.Controlador com ganho grande (banda proporcional estreita) mais rpido que um com ganho pequeno.

Fig.2.52.Malhas redundantes, com aes de controle diferentes (controlador P atua antes do controlador PI)

2.14 Controles chaveadosOs conceitos de controle chaveados so divididos em1. seletivo2. seletor (alta ou baixa)3. estrutura varivelO controle seletivo Fig.2.53 envolve um chaveamento na entrada do controlador, que recebe o sinal de dois transmissores de anlise. Quando um deles falha, o outro assume a funo de enviar o sinal de medio.O controle seletor Fig.2.54 envolve dois (ou mais) controladores com o chaveamento na sada, pois h um nico elemento final de controle. Em operao normal o controlador de vazo (FIC) opera; quando o nvel se aproxima de um valor crtico (muito baixo), automaticamente o controlador LIC assume o controle. Nesta configurao, necessria a proteo contra saturao do modo integral dos controladores, pois o controlador que est fora de controle, mas ligado, pode saturar se tiver a ao integral.O controle de estrutura varivel Fig.2.54 permite ao controlador TIC controlar o processo com uma vlvula TVA, at que a presso atinja valor perigoso. Agora o controlador de presso assume o controle da vlvula principal e o controlador de temperatura atua na vlvula secundaria, TVB.Tambm necessria a realimentao externa ao modo integral ao PIC, para evitar a saturao da sada (no necessria a realimentao ao TIC, pois ele sempre est operando).Todo esquema de controle seletor chaveado inclui obrigatoriamente um seletor de sinais.

Fig.2.53.Controle chaveado

Fig.2.54.Controle auto-seletor, com proteo contra saturao do modo integral.

2.15 Controle Auto-Seletor

2.15.1 ConceitoO controle auto-seletor tambm chamado de controle seletivo, limite, override ou cut-back.H situaes onde a malha de controle deve conhecer outras variveis controladas, por questo de segurana e controle. Isto principalmente verdade em plantas altamente automatizadas, onde o operador no pode tomar todas as decises nas situaes de emergncia, de partida e de parada do processo.

Fig.2.55.Controle auto-seletor entre nvel e vazo dotanque

O controle auto-seletor uma forma de controle multivarivel, em que a varivel manipulada pode ser ajustada em qualquer momento, por uma varivel, selecionada automaticamente entre diversas variveis controladas diferentes.A filosofia do controle auto-seletor a de se usar um nico elemento final de controle manipulado por um controlador, selecionado automaticamente entre dois ou mais controladores. Tendo-se duas ou mais variveis medidas, aquela que estiver em seu valor crtico assumem o controle do processo.Outro enfoque de se ver o controle auto-seletor considerar os dois controladores ligados a uma nica vlvula de controle. Em condies normais, uma malha comanda a vlvula; em condies anormais, a outra malha assume automaticamente o controle, mantendo o sistema dentro da faixa de segurana. O controle normal cortado apenas durante o perodo necessrio para se restabelecer a segurana do sistema. Quando a condio anormal desaparece, a malha normal assume novamente o controle.

2.15.2 ExemplosO conceito de controle seletivo ou auto-seletor explicado pelo exemplo na Fig.2.56, que mostra um tanque cujo nvel controlado pela modulao da vlvula de controle na linha de dreno de sada. A vazo do dreno do tanque controlada usando-se a mesma vlvula. H duas exigncias do processo:1. em operao normal, o tanque esvaziado com uma vazo constante, estabelecida no controlador de vazo. Vazo muito elevada considerada critica.2. o nvel muito baixo considerado uma situao critica que deve ser evitada. Quando o nvel ficar muito baixo, o controlador de nvel entra automaticamente em ao e substitui o controlador da vazo. Quando a vazo tender a aumentar, o controlador de vazo est em ao e tambm corta o excesso de vazo. Sempre, a vlvula toma a posio menos aberta dos comandos dos dois controladores.A escolha de qual controlador deve assumir o controle feita automaticamente por um rel seletor, que faz uma transio suave de um sinal de entrada para outro. A funo seletora deste rel pode ser incorporada ao circuito do controlador.Note que esta configurao totalmente diferente do controle de cascata. No controle de cascata, nvel cascateando a vazo, o ponto de ajuste do controlador de vazo estabelecido automaticamente pelo controlador de nvel. Assim, quando o nvel diminui, a sada do controlador tambm diminui e o ponto de ajuste do controlador de vazo tambm diminui. No controle de cascata, a vazo diminuda continuamente pelo abaixamento do nvel.No controle auto-seletor, a vazo constante e o valor estabelecido externamente pelo operador de processo. Em operao normal, a vazo a varivel controlada e manipulada, ao mesmo tempo.Quando o nvel atinge um valor crtico, automaticamente o controlador de nvel assume o controle. A partir deste ponto, a vazo de sada do tanque tende a diminuir com a diminuio do nvel do tanque. Quando o nvel baixo, a varivel controlada passa a ser o nvel e a manipulada contnua sendo a vazo.Outro exemplo de sistema de controle seletivo envolve sistemas com mais de um elemento sensor. Os sinais de trs transmissores de temperatura localizados em vrios pontos ao longo de um reator tubular entram em um seletor de alta (HS). A temperatura mais elevada enviada ao controlador de temperatura cuja sada manipula a gua fria. Assim, este sistema controla o pico de temperatura no reator, qualquer que seja o ponto onde ela esteja.Outro exemplo comum o controle de duas vazes de um reator, onde o excesso de um dos reagentes poderia levar a composio no reator para uma regio onde poderia haver exploso. Assim, vital que a vazo deste reagente seja menor do que alguns valores crticos, relativos a outra vazo. So usadas medies mltiplas e redundantes da vazo e o maior sinal das vazes usado para o controle. Em adio, se as diferenas entre as medies de vazo excedem em algum valor razovel, o sistema inteiro ser intertravado, at que a causa da discrepncia seja encontrada.Assim, os controles override e seletivo so muito usados para manipular problemas de restries e segurana. Os limites de alta e baixo nas sadas do controlador so tambm muito usadas para limitar o valor da variao permitido.

2.15.3 CaractersticasO sistema de controle auto-seletor, qualquer que seja o seu enfoque, sempre possui os seguintes componentes:1. duas ou mais malhas de controle, com os transmissores de medio e os controladores. 2. um seletor de sinais, de mnimo ou de mximo. O seletor eletrnico de sinais pode receber at quatro sinais simultneos. O seletor pneumtico s pode receber dois sinais de entrada e so usados (n-1) seletores quando se utilizam n controladores pneumticos.3. um nico elemento final de controle. 4. opcionalmente, o sistema pode ter uma estao manual de controle (HIC),para a partida suave. H sistemas que provm todos os controladores com a opo de seleo e atuao automtico-manual e outros que possuem uma nica e independente atuao manual.

2.15.4 Cuidado para a no SaturaoNo controle auto-seletor apenas um controlador atua, enquanto todos os outros esto fora do circuito. O sinal de um controlador vai at a vlvula, os sinais de todos os outros acabam no seletor de sinais.Esta a condio mais favorvel para o aparecimento da saturao: a sada inoperante de um controlador automtico, contendo o modo integral e em funcionamento.Para se evitar a saturao das sadas de todos os controladores que estejam na malha e cujos sinais so inoperantes, pois apenas um sinal selecionado nos controladores do sistema, sem exceo. Essa realimentao feita para o circuito integral de cada controlador do sistema e, portanto, todos devem ter essa possibilidade extra de realimentao externa.

Fig.2.56.Realimentao externa para evitar saturao do modo integral dos controladores.

A realimentao da sada do seletor de sinais para todos os controladores est redundante para aquele controlador momentaneamente selecionado e atuante no processo, porm a realimentao essencial a todos os controladores restantes, pois ela os impede de saturarem.Quando se tem o controlador eletrnico, basta prove-lo com a opo de realimentao externa. Quando se usam controladores pneumticos e vrios seletores de sinais so possveis, atravs de ajustes convenientes nos seletores, se consegue um controle satisfatrio do sistema. Porm, em sistemas mais difceis necessrio se prover cada controlador pneumtico com uma chave batelada, para otimizar a resposta dinmica do processo. Mas, a aplicao das chaves s necessria e justificvel quando o processo sofre variaes bruscas, se aproximando de um processo descontnuo, tipo batelada.

2.15.5 AplicaesO sistema de controle unitrio de seleo automtica empregado nos seguintes casos:1. para proteo de equipamentos, quando a sada do controlador da varivel que atinge valores perigosos cortada e outro controlador assume o controle.2. para aumentar a confiabilidade da malha de controle, quando so colocados instrumentos redundantes. o que ocorre em instrumentao de plantas nucleares, onde se utilizam geralmente trs transmissores para cada varivel crtica; um seletor de sinais escolhe o valor mais seguro, conforme uma programao pr-determinada. Para otimizar o controle do sistema, de modo que a varivel com valor mais prximo do valor crtico seja a responsvel pelo controle. Tm-se vrios controladores, porm, apenas o controlador da varivel com o valor crtico assume o controle do sistema.O operador final do controle estar sempre numa posio segura.

Controle de CompressorO funcionamento correto do compressor depende basicamente de trs variveis:1. a presso de suco, que no pode ser muito baixa. Se a presso de suco for muito baixa, h problema de cavitao na bomba e o compressor pode inverter o sentido do fluxo.2. a carga do motor, que no pode ser muito alta, sob pena de se queimar o motor.3. a presso de descarga, que no pode ser muito elevada. Se a presso da descarga subir muito, a vazo aps a vlvula pode aumentar demais e ficar pulsante e descontnua. O sistema de controle auto-seletor para o compressor constitudo de:1. o transmissor e o controlador de presso de suco, de ao direta.2. o transmissor de temperatura (ou corrente eltrica), proporcional a carga do motor eltrico, com controlador de ao inversa.3. o transmissor e o controlador da presso de descarga, com ao inversa.4. o gerador de rampa, para a partida suave do sistema. O sinal gerador manualmente deve ser da mesma natureza que os sinais de sada dos controladores.5. o seletor de sinais, no caso seletor do sinal mnimo. Quando o equipamento pneumtico, necessrio se utilizar vrios reles, pois o rel pneumtico s pode receber dois sinais simultneos nas entradas.6. a vlvula de controle, com ao ar para-abrir.7. como os controladores possuem a ao integral e para impedir que os modos integrais saturem, todos os controladores devem possuir a opo extra de realimentao externa ao modo integral. O sinal da sada do rel seletor, que vai para o elemento final de controle, deve ser realimentado externamente a todos os controladores.

Fig.2.57.Controle auto-seletor de compressor

Fig.2.58.Controle auto-seletor com proteo contraSaturao do modo integral dos controladores

2.16 Controle Feed-forward

2.16.1 Introduo Alguns assuntos da rea de teoria de controle de processo so conhecidos apenas pelo ouvir dizer. As pessoas, mesmo as do ramo, sabem de sua existncia, conhecem superficialmente alguns conceitos, mas no passam disso. Certamente o controle preditivo antecipatrio (feed-forward) um desses assuntos, que o pess