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  • Malhas de Controle Avanado

    Departamento de Engenharia Qumica e de Petrleo UFF

    Profa Ninoska Bojorge

    1

    Introduo2

    Ser abordado alguns componentes chaves de simples de controle mais complexos:1. Controle Feedforward2. Controle em Cascata;3. Controle Baseado em Modelo4. Controle Seletivo e Override, Razo e Fuzzy5. Controle PID Adaptativo 6. Controle de Processo Multivariveis7. Processos com tempo morto grande: MPC

    A questo chave determinar as variveis de controle que devem ser escolhidas para se controlar um determinando processo;Outro problema a ser discutido a questo da interao entre diferentes malhas de controle.

  • Controle Realimentado

    Feedback control tem a forma geral:

    Caractersticas do Controle Feedback Sada o processo deve ser alterada antes que qualquer ao seja tomadaPerturbaes so apenas compensadas depois que afetam o processo

    GpGc

    Gm

    Y(s)

    Ym(s)

    R(s) U(s) ++ +GD

    Gv

    D(s)

    -

    3Relembrando

    1. Controle Feed forward

    4

    Tcnicas de Controle Avanado

  • Controle Antecipatrio

    Arquitetura FeedforwardProblemas com o controle de Feedback Combinao do Feedforward e Feedback Exemplo: Tambor de FlashCritrios de tempo mortoTeoria do FeedforwardComparao visual entre controle antecipado e nico malha

    o que vamos aprender nesta seo5

    Controle Antecipatrio

    Arquiteturas melhoradas para a rejeio de perturbaes:

    FeedForwardCascata

    Ambas requerem instrumentao adicional e tempo de engenharia, a fim de obter um controlador mais capaz de rejeitar perturbaesNenhuma destas arquiteturas tem beneficio nem diminui o desempenho do monitoramento do setpoint

    6

  • Arquitectura do Controle Antecipatrio

    Feed forward no requer uma varivel de processo secundria 7

    set point

    Varivel de processo medida

    Elementofinal

    controle

    Processo secundrio

    FeedbackController

    Processo Primrio

    PerturbaoProcesso I

    +++

    PerturbaoProcess II

    ++Varivel de processo medida

    Perturbaovarivel I

    Perturbaovarivel II

    feedforward pode melhorar efeito de cada perturbao

    Essa configurao de controle Feedback ou Feedforward?Como podemos usar o fluxo de entrada do termopar para regular as perturbaes naentradas?Ser que isto vai se tornar um controlador Feedforward ou Feedback?

    TTTC1

    Ps

    Condensado

    vapor

    F,Tin

    F,T

    TT

    Tanque agitado aquecido

    Controle Antecipatrio 8

  • Ps

    Condensado

    vapor

    F,Tin

    F,T

    TT

    Tanque agitado aquecido: uma sugesto de controle

    TC1

    ++TT TC2

    Como opera o TC2?

    Controle Antecipatrio 9

    Problemas com o controle Feedback

    No Controle Feedback entra em ao somente aps a varivel de processo medida foi afastada do setpoint efeito negativo na estabilidade em progresso antes do controlador feedback tradicional inicie a responder

    Algumas perturbaes originrias de outra parte da planta ou de uma srie de eventos que ocorrem e causam perturbaes distantes" e que podem influir no processo A partir deste ponto de vista, o controlador Feedback comea demasiado tarde para ser eficaz na reduo da incidncia da perturbao.

    10

  • Combinao do Feedforward com o Feedback

    O controlador Feedforward mede a perturbao, enquanto ainda "distante"O elemento Feedforward recebe o sinal de perturbao e computa aes de controle preventivos, que so combinados com a ao tradicional do controle Feedback

    11

    ysetpoint

    Varivel de processo medida

    FeedbackControlador

    Perturbaes na Varivel doProcessos

    +

    D(t)

    ++

    sensor

    Elemento FeedForward

    Modelo Perturbao

    Modelo Processo

    ++Sado do controlador

    Varivel de Processoinflui no comportam.

    ufeedforward

    ufeedback utotaly(t)

    utotal a sada do controlador feedbackmenos a sada do sinal Feedforward

    ydisturb

    yprocesso

    disturbance

    processo

    Combinao do Feedforward com o Feedback

    A implementao Feedforward requer::aquisio e instalao de um sensorconstruo de um elemento Feedforward composta do modelo de processo e da perturbao

    O modelo de perturbao recebe o sinal de perturbao, d(t), e prev um "perfil de impacto" de quando e por quanto a varivel de processo medida, y(t), vai mudarDada esta sequncia de interrupo, o modelo de processo, ento, prev uma srie de aes de controle, ufeedforward, que ir reproduzir exatamente este comportamento Um sinal negativo permite "aes contrrias previso" de modo a anular o efeito sobre a varivel de processoSada total do controlador : Utotal = Ufeedback Ufeedforward

    12

  • Combinao do Feedforward com o Feedback

    Os modelos devem ser programados no computador de controle Como os modelos lineares nunca descrevem exatamente o comportamento real do processo, o Feedforward no ir fornecer rejeio perfeitas das perturbaes,Tarefas do Controle Feedback :

    rejeitar a parte da perturbao medida aps o elemento Feedforwardtrabalhar para rejeitar as perturbaes no medidaspermitir o controle do setpoint, conforme necessrio

    13

    Controle Antecipatrio

    Assume que D(s)pode ser medida antes que afeta o processo efeito da perturbao no processo pode ser descrito com um modelo de GD(s)

    Controle Feedforward possvel.

    GpGc

    Gm

    Y(s)

    Ym(s)

    R(s)

    U(s) ++ +

    GD

    Gv

    Gf

    + +

    D(s)

    Controlador Feedforward

    Estrutura de controle Feedback/Feedforward

    Controle Antecipatrio 14

  • Controle Antecipatrio

    De um ponto de vista geral, todo processo tem trs tipos de variveis: controladas, manipuladas e de perturbaes.

    Utilizando o controle por realimentao, a VP medida, comparada com um SP, e a VM ajustada at que a VP esteja prximo do SP.

    No Controle Antecipatrio a perturbao medida, e baseada num valor do SP para a VP calculado o valor necessrio para a VM, de maneira a evitar que a VP seja alterada.

    Uma necessidade, ento, que as perturbaes possam ser medidas.

    15

    O controle antecipatrio tanto pode ser usado parasistemas lineares quanto para sistemas no lineares,entretanto, ele requer um modelo matemtico dosistema.

    Para se projetar o controle antecipatrio preciso umconhecimento especial sobre o processo. Esta umadas razes da limitao da aplicao prtica docontrole antecipatrio. Precisam ser bem conhecidostanto os ganhos em regime estacionrio quanto asconstantes de tempo e os tempos mortos querepresentam o processo.

    Controle Antecipatrio 16

  • Controle Antecipatrio

    A estratgia de controle Feedforward esquematizada como:

    Gp Y(s)U(s) ++

    GD

    Gv

    Gf

    + +

    D(s)

    UR(s)

    Y s G s D s G s G s U sY s G s D s G s G s U s G s D s

    Y s G s G s G s G s D s G s G s U s

    Y s G s G s G s G s D s Y s

    D P v

    D P v R f

    D p v f p v R

    D p v f R

    ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ( ) ( ) ( ))

    ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( )) ( ) ( ) ( ) ( )

    ( ) ( ( ) ( ) ( ) ( )) ( ) ( )

    = += + +

    = + +

    = + +

    Funo de Transferncia:

    Controle Antecipatrio 17

    A estratgia de controle Feedforward esquematizada como:

    Gp Y(s)U(s) ++

    GD

    Gv

    Gf

    + +

    D(s)

    UR(s)

    O monitoramento de YR exige que

    G s G s G s G s

    G s G sG s G s

    D p v f

    fD

    p v

    ( ) ( ) ( ) ( )

    ( ) ( )( ) ( )

    + =

    =

    0

    Controle Antecipatrio 18

  • o cancelamento exato requer a planta perfeita e modelos exatos de perturbao.

    Controle Feedforward: muito sensvel a erros de modelagem no pode lidar com distrbios no medidos no pode implementar-se mudanas de setpointRequer do controle feedback para obter um sistema de controle mais robusto.

    G s G sG s G sf

    Dp v

    ( ) ( )( ) ( )

    =

    G s G s G s G sD p v f( ) ( ) ( ) ( )+ 0

    Controle Antecipatrio 19

    O controle Feedforward ideal:

    Qual o impacto de Gf sobre o desempenho da malha fechada do sistema de controle de realimentao?

    GpGc

    Gs

    Y(s)

    Ym(s)

    R(s)

    U(s)+

    + +GD

    Gv

    Gf

    + +

    D(s)

    Controle Antecipatrio Controle Feedback/Feedforward20

  • Controle Antecipatrio Controle Feedback/Feedforward21

    Funo de transferncia da malha de controle FF/ FB

    Controle ideal requer que (como visto anteriormente)

    C sD s

    G s G s G s G sG s G s G s G s

    D f v p

    c v p m

    ( )( )

    ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

    =+

    +1

    G s G sG s G sf

    Dv p

    ( ) ( )( ) ( )

    =

    G s K ssf f

    ( ) ( )( )

    =++

    1

    2

    11

    G s KK Kf

    Dv p

    ( ) =

    Controle Antecipatrio 22

    Nota:Controlador feedforward no afeta a estabilidade em malha fechadaControlador feedforward com base em modelos de plantas pode ser irrealizvel (tempo morto ou zeros RHP)Pode ser aproximado por uma unidade de lead-lag ou ganho puro (raro)

  • Exemplo:Processo do tambor de Flash

    Controle Feedback tradicionalSe a diminuio de presso ocorre rapidamente, o controlador pode ser realmente abrir a vlvula ainda a taxa de fluxo de lquido de descarga pode continuar a diminuirResposta do controlador comea tarde e no pode efetivamente minimizar o impacto da perturbao

    23

    VlvulaFlash

    LC Lsetpoint

    Variao de Presso Jusante(uma perturbao)

    P

    vapor

    liquido

    posio da vlvula manipulada para controlar o nvel do lquido

    Alimentao

    liquidocondensado

    Vapor do topo

    Exemplo:Processo do tambor de Flash

    24

    Vlvula Flash

    LCLsetpoint