Controle de Processos

Ementa básica:

I- Introdução

II- Modelagem

III- Linearização / Transformada de Laplace

IV- Funções de Transferências

V- Dinâmica de processos

VI- Processos em malha fechada

VII- Estabilidade

VIII- Projeto de controladores

IX- Laboratório de automação

Bibliografia Sugerida:

I- SEBORG, D. E. et al. Process Dynamics and Control. 3th ed. New York: J. Wiley,

2010

II- STEPHANOPOULOS, G. Chemical process control: An introduction to theory and

practice. 1 ed. New Jersey: Prentice-Hall International Inc, 1984.

Forma de Avaliação:

Prova 1 – Peso 4

Trabalho – Peso 2

Prova 2 – Peso 4

Critério para aprovação:

Nota Final >= 5.0, sendo Nota Final = (4*Nota 1 + 2*Nota Trabalho + 4*Nota 2) / 10

Caso Nota Final < 5.0, o aluno irá para recuperação.

INTRODUÇÃO

Aula 1 – Objetivo e definições de Controle de Processos

O objetivo geral de uma planta química é converter matérias-primas em um

determinado produto. Para isso, quais fatores devem ser levados em consideração?

a) Segurança

b) Especificação do produto

c) Meio ambiente

d) Restrições operacionais

e) Fatores econômicos (lucro)

O controle de processo deve satisfazer 3 condições básicas:

a) Suprimir interferências externas

b) Manter a estabilidade de um processo

c) Otimizar a performance do processo

Dentre os tipos de controle mais comum, destacam-se:

a) Controle manual: o operador toma uma decisão e ajusta alguma variável de acordo

com a necessidade percebida. Um exemplo do dia-a-dia pode ser o caso de um motorista que

pisa mais fundo no pedal do acelerador quando sua velocidade está muito baixa, ou reduz a

força sobre o pedal quando está perto de atingir o limite de velocidade.

b) Controle ON-OFF: um relé liga ou desliga automaticamente quando a variável de

interesse sai de determinada faixa operacional. Muitas geladeiras e condicionadores de ar

funcionam dessa maneira. Ao atingir determinada temperatura o relé liga o compressor para

que resfrie o ar. Quando o ar está na temperatura pré-selecionada, o relé desliga o motor. É

claro que para esse caso, há uma faixa de temperatura determinada para que o relé ligue ou

desligue.

c) Controle Clássico: é o tipo de controle mais utilizado na indústria. Baseia-se na

medição da variável de interesse a partir de algum instrumento apropriado e na comparação

desse valor com o valor de referência pré-determinado. Caso haja divergência entre esses dois

valores, o controle automaticamente toma uma ação, ajustando alguma outra variável a fim de

retornar o valor da variável de interesse para a referência. Este é o tipo de controle que será

abordado durante toda essa disciplina.

Tomaremos por exemplo um tanque de aquecimento agitado, mostrado na Figura 1.1.

O tanque é alimentado por uma vazão Fi com temperatura Ti. Como o tanque é bem agitado, a

vazão de saída F tem a mesma temperatura T que o líquido do tanque. Para o aquecimento do

tanque, é utilizado uma vazão Fst de vapor através de uma serpentina.

Figura 1.1 – Tanque de aquecimento agitado

Todo processo tem condições desejadas de operação. No caso do tanque apresentado,

é necessário manter a temperatura T em um valor especificado, bem como o nível h do

tanque. Esses valores de referência de determinado processo são chamados de SET-POINT.

Sendo assim, qual procedimento deve ser adotado caso uma dessas variáveis saia de

seu valor de referência devido a flutuações das condições da corrente de alimentação?

Vamos considerar o caso onde apenas a temperatura T saia da especificação. A partir

da medida de temperatura (através de um termopar, por exemplo), compara-se este valor

com o set-point preestabelecido. A diferença entre esses dois valores é denominada ERRO, e é

definida como: e = Tsp – T, onde Tsp é a temperatura de set-point. Um controlador deve tomar

uma ação baseado nesse erro. Por exemplo: um erro positivo indica que a temperatura T do

reator está abaixo do valor de referência. O controle deve então enviar um sinal para válvula

de injeção de vapor, que por sua vez deve abrir mais, aumentando a vazão Fst. O esquema

descrito é apresentado na Figura 1.2

Perceba que no caso descrito anteriormente, o controle tomou sua ação após um

determinado distúrbio provocar a diminuição da temperatura T. Esse tipo de controle, que

toma uma ação baseado no erro da variável de interesse, é denominado CONTROLE

FEEDBACK.

Figura 1.2 – Esquema de controle feedback

Uma outra configuração de controle para atender à necessidade descrita, seria

monitorar a temperatura de alimentação Ti e tomar a ação de controle antecipadamente,

como mostra a Figura 1.3.

Neste caso, onde o controle toma uma ação antecipatória em relação a um distúrbio

monitorado, é chamado de CONTROLE FEEDFORWARD.

Em resumo, ambos os controles tem como objetivo manter determinada variável de

interesse em um valor de referência (set-point), frente a algum distúrbio, a partir da

manipulação de alguma outra variável.

Figura 1.3 – Esquema de controle feedforward

A variável de interesse no processo é chamada de VARIÁVEL CONTROLADA ou

VARIÁVEL DE PROCESSO. No exemplo anterior, a variável controlada é a temperatura T do

tanque.

A variável que tem seu valor ajustado a partir de uma ação de controle é chamada de

VARIÁVEL MANIPULADA ou VARIÁVEL DE CONTROLE. No exemplo abordado, a variável

manipulada é a vazão de vapor Fst através da serpentina.

As variáveis que sofrem flutuações em seus valores e interferem no processo são

chamadas de DISTÚRBIOS. Para o caso anterior, além da temperatura Ti de alimentação, a

vazão de entrada Fi também poderia ser considerada um distúrbio.

EXERCÍCIO 1.1: Baseado nos esquemas mostrados nas Figuras 1.2 e 1.3, faça um esquema

para um controle feedback e um para controle feedforward no caso onde a variável de

interesse é o nível do tanque. Explicite as variadas envolvidas.

Perceba que, é possível sugerir mais de um uma possível variável para o mesmo

objetivo de controle. Por exemplo, para controlar o nível do tanque é possível manipular tanto

a vazão de entrada Fi quanto a vazão de saída F. Os diferentes arranjos possíveis para uma

malha de controle são denominados CONFIGURAÇÕES DE CONTROLE. A escolha da melhor

configuração de controle está baseada em diversos fatores, tais como segurança, custo,

viabilidade técnica, etc. Cabe ao engenheiro responsável decidir pela configuração mais viável.

Todos as configurações de controle vistas até esse ponto apresentam apenas uma

variável manipulada para uma variável controlada. Essa forma de controle é conhecida como

SISO (single imput single output), e é muito pouco vista na prática. Na indústria, praticamente

toda operação apresenta controle MIMO (multi imput multi output), onde há mais de uma

variável de processo e mais de uma variável de controle. O controle MIMO requer uma

abordagem muito aprofundada, visto a complexidade de uma planta química, onde há

interação entre todas as variáveis. Durante esse curso, será estudo apenas o controle SISO.

EXERCÍCIO 1.2: Proponha diferentes configurações de controle (feedback e feedforward)

para o controle de temperatura de um reator CSTR encamisado. Indique todas as variáveis

de entrada e saída possíveis em um esquema (como nas Figuras 1.2 e 1.3). Qual (is) outra (s)

variável (is) pode (m) ser variáveis controladas também?

EXERCÍCIO 1.3: Qual você considera ser a maior desvantagem de um controle feedback? E do

controle feedforward?

EXERCÍCIO 1.4: Considere as seguintes afirmações:

a) Uma pessoa quer manter seu peso em 65 kg. Para isso, ela se pesa todos os dias e

compara o peso medido com o peso desejado e, baseada nessa comparação, a pessoa decide

se tem q comer mais ou menos naquele dia do que sua alimentação diária básica.

b) Uma pessoa quer manter seu peso em 65 kg. Ela tem uma alimentação diária básica

e não se pesa. Porém, ela tem uma lista com as informações nutricionais de cada alimento.

Assim sendo, se ela consome qualquer coisa a mais, ela imediatamente compensa

consumindo menos da sua alimentação básica.

Nos itens a) e b), qual você considera uma estratégia de controle feedback e qual

você considera como feedforward? Qual alternativa você considera mais eficaz?

EXERCÍCIO 1.5: Indique se as seguintes configurações de controle são feedback ou

feedforward:

a) b)

MODELAGEM

Aula 2 –