prof. everaldo s. freitas [email protected]
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A disciplina de Automação de Controle de Processos tem como objetivo munir os alunos com conceitos e tecnologias normalmente encontradas em ambientes fabris. Serão discutidos conceitos de projeto relativos à automação industrial e as tecnologias atualmente utilizadas na solução de problemas de controle na indústria, tendências para o futuro, vantagens e desvantagens relacionadas à implantação e operação de processos automatizados.
Conceitos de regulagem automática, ações de controle, análise e projeto de sistemas de controle.
Aplicação dos sistemas de controle em plantas industriais: objetivos, instrumentação e malhas de controle.
O conteúdo será ministrado utilizando-se abordagem sócio individualizada, através de aulas expositivas, tarefas em sala, tarefas extra sala e práticas de laboratório. O objetivo principal é a aplicação do conceito teórico na prática, permitindo ao aluno uma análise crítica.
Prova 80% Trabalhos 20%
• Os trabalhos serão os relatórios, projetos e práticas de laboratório.
Livro ENGENHARIA DE CONTROLE MODERNOAutor(es).: OGATA, KATSUHIKO ; Editora.: PEARSON MAKRON BOOKS Edição.: 5 Local de Publicação.: SAO PAULO Ano de Publicação.: de 1998 a 2010
Livro MODELAGEM DA DINAMICA DE SISTEMAS E ESTUDO DA RESPOSTA
Autor(es).: FELICIO, LUIS CARLOS ; Editora.: RIMA Edição.: 2 Paginação.: 551Local de Publicação.: SAO PAULO Ano de Publicação.: de 2010 a 2010
Livro ENGENHARIA DE CONTROLEAutor(es).: BOLTON, W. ; Editora.: MAKRON BOOKS Edição.: 1 Paginação.: 497Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: 1995
Livro SISTEMAS DE RETROACAO E CONTROLE, COM APLICACOES PARA ENGENHARIA, FISICA E BIOLOAutor(es).: DISTEFANO, JOSEPH J. (OUTROS) ; Editora.: MCGRAW-HILL DO BRASIL Edição.: 1 Paginação.: 480Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: de 1972 a 1973
Livro SOLUCAO DE PROBLEMAS DE ENGENHARIA DE CONTROLE COM MATLABAutor(es).: OGATA, KATSUHIKO ; Editora.: PRENTICE-HALL DO BRASIL Edição.: 1 Paginação.: 330Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: 1997
Livro SISTEMAS DE CONTROLE MODERNOSAutor(es).: DORF, RICHARD C. (OUTROS) ; Editora.: LTC - LIVROS TECNICOS E CIENTIFICOS Edição.: 8 Paginação.: 659Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: 2001
Os sistemas de controle são uma parte integrante da sociedade moderna. Diversas aplicações nos rodeiam: • Foguetes e naves espaciais; • Refrigeração em usinagem automática; • Veículos autônomos; • Aeronáutica; • Eletrodomésticos; • Mecatrônica; • Processos químicos;
Os sistemas controlados automaticamente não são criados apenas pelos seres humanos; eles também existem na natureza. • Pâncreas – regula o açúcar no sangue; • Adrenalina – instinto de subrevivência; • Visão – orientação e mapeamento.
Definição: “Um sistema de controle é a interconexão de componentes (subsistemas e processos) formando uma configuração de sistema que produzirá uma resposta desejada do sistema”.
O ambiente operacional das indústrias mudou de maneira acentuada nos últimos anos. A informática está se tornando cada vez mais importante para a produtividade e a competitividade, e tem revolucionado o mundo através de uma grande rede, a internet.
O conceito de rede passou a fazer parte dos sistemas de automação, quando surgiu a necessidade de interligar os vários equipamentos de uma aplicação de forma a minimizar custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação.
A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas:• Custos de instalação• Procedimentos de manutenção• Opções de upgrades• Informação de controle de qualidade
Flexibilidade para alterar as configurações atendendo às novas demandas;
Distribuição de funções críticas, como o controle para o campo;
Totalmente digital;
Arquitetura mais enxuta com custo menor; Interoperabilidade entre vários fabricantes aumentando as possibilidades de escolha e
a redução de custos sobressalentes; Possibilidade de expansão a custo reduzido.
Os primeiros sistemas de controle de processo eram totalmente analógicos.
As redes de automação foram introduzidas em 1970 através dos DDC (Direct Digital Control) e logo em seguida também em DCS (Distributed Control Systems) e PLC(Programmable Logic Controller);
Os equipamentos de campo (transmissores) digitais surgiram em 1980.
Porém as redes fieldbus FCS(Field Control Systems), que interligam os equipamentos de campo, só vieram a surgir em1990.
A função de controle DDC (Digital Direct Control), é um sistema de supervisão que possui uma linguagem tal, que permite definir diretamente ações de controle sem depender de um nível intermediário representados por remotas inteligentes, já nas operações de entrada e saída, são usadas remotas mais simples ou são executadas através de cartões de I/O ligados diretamente no barramento do micro.
A filosofia do “sistema de controle digital distribuído” é a de dividir os equipamentos em vários módulos funcionalmente distintos: processo, controle, operação, gerenciamento e comunicação.
A arquitetura SDCD, caracteriza-se por um elevado nível de redundância:• redundância de servidores,• redundância de rede de comunicação de dados,• de cartões de entrada e saída, etc.Ex: Rede Hart 4-20 mA
A arquitetura enxuta de um FCS(Field Control Systems), eliminou vários níveis hierárquicos, inclusive a dos caros controladores e subsistemas de E/S, resultando em uma arquitetura com apenas dois níveis: industrial e comercial.
Um sistema é um conjunto de elementos independentes em interação, com vistas a atingir um objetivo.
A definição identifica, embora usando termos um pouco diferentes, três elementos básicos que são essenciais na conceituação de sistemas: subsistemas, relações e propósito.
O primeiro aspecto é que os sistemas são compostos de elementos que podem ser identificados de forma independente uns dos outros. Isso significa que embora sejam partes constituintes do sistema os elementos têm uma existência e uma identidade próprias que os destaca como partes individuais.
Através das interações e relações dinâmicas os elementos colaboram uns com os outros para produzir um sistema interessante porque apresenta algum propósito novo e especial que seus elementos independentes isoladamente não seriam capazes de exibir.
Qual o objetivo do sistema? Para que serve o sistema? A identificação de um sistema está
intimamente relacionada à identificação do propósito do sistema.
A indústria de computadores pessoais popularizou o sucesso das soluções abertas, mostrando que sistemas compostos a partir de dispositivos de fabricantes diferentes não só são viáveis mediante a definição de padrões abertos como também trazem aos clientes, usuários e até mesmo aos pequenos fabricantes vantagens indiscutíveis.
Nem mesmo a indústria de automação e controle de processos, que é por tradição conservadora, não escapou de seguir esta moderna tendência, e foi sendo dirigida pela pressão do mercado a definir padrões para permitir soluções abertas.
Os grandes sistemas de automação eram até bem pouco tempo soluções tipicamente proprietárias, por causa das dificuldades técnicas para se implementar soluções abertas.
Soluções proprietárias lhes permitiam manter cativos seus clientes, de forma que se um desses clientes adquirisse um dispositivo daquele fabricante ele teria que adquirir também desde parafusos e chaves de fenda, até softwares de configuração, manutenção e operação dos dispositivos, e não raro até serviços de configuração, instalação e assistência técnica.
O maior apelo dos sistemas abertos é a liberdade de escolha que proporcionam ao cliente e ao usuário final. Se ele não está preso por uma arquitetura proprietária ele tem à sua disposição para escolha uma vasta gama de equipamentos e soluções de diversos fabricantes.
O conceito de sistema aberto é muito abrangente. Um sistema pode ser mais aberto ou menos aberto dependendo do grau em que ele apresenta cada um dos cinco atributos seguintes: interconectividade, interoperabilidade, intercambiabilidade, extensibilidade e escalabilidade.
É a capacidade de conectar em rede equipamentos, máquinas e aplicativos através de canais de comunicação de forma que eles possam trocar informações e interpretar as informações trocadas.
A interoperabilidade é conseguida quando soluções de vários fabricantes são capazes de operar umas às outras. Isso quer dizer que, uma vez que se tenha interconectividade, num sistema interoperável os equipamentos, as máquinas e os aplicativos podem comandar uns aos outros.
A intercambiabilidade tem a ver com a possibilidade de se substituir um equipamento, máquina ou aplicativo de um fabricante pelo de outro sem perda de funcionalidade.
O sistema apresenta extensibilidade quando novas funcionalidades podem ser incluídas pela simples adição de novos equipamentos, máquinas e aplicativos sem impacto nas funcionalidades já existentes no sistema.
A escalabilidade é o atributo que garante que o sistema possa ser usado desde aplicações muito pequenas até aplicações muito grandes, sendo que a configuração para aplicações pequenas é relativamente simples e barata. Mas se a aplicação se desenvolver e se tornar maior e mais complexa, o sistema suporta também uma configuração mais sofisticada e proporcionalmente mais cara. Isso que dizer que o usuário não precisa pagar caro para atender uma aplicação simples, nem pagar mais barato por uma solução simples que depois não pode ser estendida.
O constante aumento de produção nas empresas tem requerido investimento em novos equipamento ou na troca de parte dos existentes. Com esta necessidade, surgem situações onde o antigo tem que existir com o novo e a integração dos equipamentos existentes com os novos deve acontecer de maneira perfeita para que a confiabilidade e rendimento do equipamento modificado sejam no mínimo iguais aos das novas partes.
Para obtenção deste resultado , os sistemas de controle devem estar totalmente integrados, permitindo uma operação estável, contínua e segura.
Nas arquiteturas antigas cada ponto ou dispositivo adicional se tornava um peso para o sistema. No caso das novas tecnologias distribuídas, cada ponto ou dispositivo adicional contribui com um microprocessador.
A inteligência será distribuída em níveis cada vez mais baixos na hierarquia, resultando na necessidade de mais e mais dispositivos conectados a barramentos de campo industriais.
O microprocessamento distribuído permite o controle de operações hibridas com baixo custo, simplicidade e flexibilidade.
A tecnologia em automação tem avançado de forma constante e está convergindo para um ponto onde as empresas possam adaptar seus processos e orçamentos com grande flexibilidade a custos mais baixos. Não importa se as operações de produção são grandes ou pequenas, ou se é um processo contínuo ou discreto, ou alguma combinação entre eles. Soluções em automação de processo e de controle já estão plenamente disponíveis.
As operações de manufatura discretas, tais como nas indústrias: automobilísticas, de eletrodomésticos, e de todas as que se utilizam de processos de produção em série, tipicamente requerem funções de controle relativamente simples. Ligar e desligar um sistema, gerenciar uma correia transportadora etc... Um CLP de custo baixo resolve com facilidade.
Processos continuos envolvem aplicações mais complexas e são imprescindíveis nas seguintes empresas: químicas, petroquímicas, petrolíferas, siderúrgicas, de mineração, de papel e celulose, usinas de álcool, destilarias de álcool, alimentícias, usinas nucleares, de navegação, usinas de energia elétrica, distribuidoras de energia elétrica etc. Quanto mais variáveis e controles de processo envolvidos na aplicação, mais difícil será implementar soluções baseadas em CLPs.
O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central queprocessa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramentoestatístico da planta sendo implementado, geralmente, por softwares gerenciais (MIS). Opadrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível.
O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na plantaincorporando PLCs, SDCDs e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação.
O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os equipamentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O.
Planta didática
• DF51 – Controle de processo(Transmissores)• DF65 – Controle discreto (bombas)
O mercado exige redes abertas e facilidade de integração em todos os níveis de aplicação.
As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com dados em formato de bloco são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis.
Dados em formato de bits.
Conexão
• Poucos equipamentos.• Equipamentos simples• Ligação direta.
Características:• Comunicação rápida em níveis discretos.• Sensores de baixo custo.• Pequenas distancias.
Objetivo Principal:• Minimizar custo.
Exemplos:• Seriplex, ASI e Interbus Loop.
Dados em formato de bytes
Podem cobrir distâncias de até 500 m.
Equipamentos:• Predominantemente de variáveis discretas.
Algumas redes permitem a transferência de blocos de dados com prioridade menor aos dados em formato de bytes.
Possuem os mesmos requisitos temporais dasrede Sensorbus, porém podem manipular maisequipamentos e dados
Exemplos: Device-Net e Profibus DP.
Dados em formato de bits.
Redes mais inteligentes: Podem conectar mais equipamentos a distâncias mais longas.
Os equipamentos conectados a rede possuem inteligência para executar funções específicas: Sensor, atuador, controle.
As taxas de transferência de dados podem ser menores que as anteriores, porém estas são capazes de comunicar vários tipos de dados: Discretos, analógicos, parâmetros, programas e informações de usuário.
Exemplos: Fieldbus Foundation e Profibus PA.
Integração de redes: Hart
• Rede de comunicação analógico FieldBus
• Rede de comunicação digital
HART- Highway Addressable Remote Transducer;
Desenvolvimento: 1980 pela Fisher Rosemount;
Proposta:• Utilizar os cabos tradicionais de 4-20mA;• Modular o sinal de dados sobre o sinal analógico• Comunicação bidirecional
• O sinal é modulado em FSK (Frequency Shift Key) Bit 1 - tom de 1mA pico a pico em 1200Hz Bit 0 - tom de 1mA pico a pico em 2400Hz
Protocolo Digital: As informações são transmitidas em forma de mensagens de acordo com as camadas de comunicação definidas pelo protocolo FF H1;
Serial: As informações são transmitidas e recebidas bit a bit;
Half-duplex: Comunicação bidirecional, porém, em uma única direção a cada instante;
Multidrop: Permiti a comunicação entre os vários equipamentos conectados à rede.
O FF H1 surgiu com o objetivo de interligar e operar os instrumentos de campo com características diferentes e de diversos fabricantes. Usufruindo toda sua inteligência através de uma rede, proporcionando a descentralização das tarefas.
Principal objetivo é conseguir que uma variável dinâmica se mantenha constante em um valor específico;
Para isso é necessário uma malha de controle fechada, que opere sem intervenção do elemento humano;
O valor da variável controlada é medido com um sensor e comparado com o valor desejado (setpoint). A diferença entre o setpoint e a variável controlada é conhecida como erro (ou desvio). A saída do controlador é determinada em função desse erro e é usada para ajustar a variável manipulada.
Processo: O termo processo, significa as funções e/ou operações usadas no tratamento de um material ou matéria-prima.• No exemplo abaixo temos um processo para aquecimento
de água. É um trocador de energia (trocador de calor).
Variáveis de Processo (PV) ou Variável Controlada (VC):• Variável que indica diretamente o estado do produto;• Variável que se deseja manter dentro de padrões (limites);
Controle direto: Através da leitura da variável controlada ou variável de processo, se garante que o produto se mantenha dentro dos padrões desejados;• Ex: Num sistema de aquecimento de água, a variável controlada
é a temperatura da água de saída do aquecedor. Controle Indireto: Quando a leitura direta de uma
variável for difícil de ser implementada, pode-se trabalhar com uma variável secundária do processo; • Ex: Forno de recozimento, onde a variável controlada seria a
condição de recozimento do produto, porém controla-se a temperatura.
Variável Manipulada (MV):• É a variável sobre a qual o controlador automático
atua;• Pode ser qualquer variável do processo que causa uma
variação rápida na variável controlada. Exemplo: No caso do aquecedor de água, a variável manipulada é a
entrada de vapor.
Variável de Carga ou Secundária:• São todas as outras variáveis independentes do
processo;• Impõem flutuações no processo que devem ser
absorvidos pelos controladores a fim de manter a variável controlada no valor desejado; Exemplo: Temperatura da água de entrada do aquecedor;
Auto-regulação: Característica própria de um processo que ajuda a limitar o desvio da variável controlada.• Processo estável (auto-regulado): Existe um equilíbrio entre
entrada e saída do processo;• Processo instável (não auto-regulado): Não existe tendência de
haver equilíbrio entre entrada e saída.
Atrasos em processos: Algumas características dos processos podem atrasar as mudanças nos valores das variáveis envolvidas no controle. Isso aumenta a dificuldade de controle. São causados por três propriedades:• Resistência:
Resistem a transferência de energia ou de um material (Ex: paredes das serpentinas, resistência a passagem de um fluido em uma tubulação, resistência a transferência de energia térmica.
• Capacitância: É a característica apresentada por alguns componentes do processo que
acumula energia ou material. (Ex: tanques, reservatórios)
• Tempo morto: É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma
variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor.
Acumula energia ou material; Pode ser monocapacitancia, bicapacitancia,
multicapacitancia;
Resistência de tubulações
O tempo morto entre a ação da válvula e a variação resultante no peso, é igual a distância entre a válvula e a célula detectora de peso dividida pela velocidade de transporte da correia.
O eletrodo de medição do pH deve ser instalado a jusante do ponto de adição do neutralizante cáustico, para dar o tempo necessário de mistura e reação química. Se o fluído flui a uma velocidade de 2 m/s e a distância é igual a 10m, o tempo morto será de 5s.
Num sistema de controle é importante se levar em consideração efeito de distúrbios.
Para exemplificar podemos pensar em um sistema de aquecimento doméstico em malha aberta, um aquecedor é ligado para obter uma temperatura. O que aconteceria se uma janela fosse aberta e uma rajada de ar frio entrasse na sala?
Na análise de um processo do ponto de vista do controle automático é bom dar particular atenção a três tipos de distúrbios de processo que podem ocorrer:
• Distúrbio de Alimentação • Distúrbios de Demanda• Distúrbios de Set-Point
É uma mudança na entrada de energia (ou de material) no processo. Geralmente é chamado de mudança de carga de alimentação.• No trocador de calor, visto anteriormente,
mudanças na qualidade ou na pressão de vapor, ou na abertura da válvula são distúrbios de alimentação.
É uma mudança na saída de energia (ou material) do processo. Geralmente é chamado de mudança de carga de demanda. • No nosso exemplo do trocador de calor, as
mudanças de temperatura da água fria e da vazão da água são distúrbios de demanda.
É a mudança no ponto de trabalho do processo. As mudanças de set-point geralmente são difíceis por várias razões: • São, geralmente, aplicadas muito repentinamente; • São, geralmente, mudanças na alimentação, e por isso devem
atravessar o circuito inteiro para serem medidas e controladas.
Resposta Ideal do Controle:• Pode-se estudar os processos pela análise das reações das
variáveis quando são submetidas a mudanças de cargas.• As curvas de reação são estudadas em vários tipos de
combinação de Resistência, Capacitância e Tempo Morto.• Abaixo a curva de reação de um processo monocapacitivo
(capacitância simples e sem tempo morto) a uma mudança de carga de demanda (a) e de alimentação (b)
Processo Monocapacitivo ou 1ª Ordem:• São processos simples que apresentam apenas um par RC.• Dificilmente encontrado em indústrias, aplicação maior em
plantas piloto.• São processos mais fáceis de controlar porque reagem
imediatamente a mudanças de carga e as correções são efetivadas rapidamente.
Exemplo: Trocador de calor• As curvas abaixo indicam como a temperatura começa a
aumentar exatamente ao mesmo tempo em que a carga é mudada.
• A temperatura é atrasada (no tempo), quanto maior for a capacitância de armazenamento de cada processo. Isso acontece por causa da capacitância calorífica da água e da resistência ao fluxo de calor.
Processo Multicapacitivo ou 2ª Ordem:• São processos que apresentam dois ou mais pares RC.• É o mais comum em indústrias.• São processos mais difíceis de controlar porque não
reagem imediatamente a mudanças de carga e as correções não são efetivadas rapidamente.
Exemplo: Trocador de calor (serpentina grande, que gera uma capacitância calorífica)• As curvas abaixo indicam como a temperatura começa a
aumentar vagarosamente.• A temperatura irá demorar mais para atingir seu valor
final. (devido capacitância calorífica da água na serpentina C1 e no tanque C2 e a resistência ao fluxo de calor de C1 para C2).
Exemplo: Trocador de calor (aumentando a distancia do nosso sensor em relação a saída do trocador)• Aumenta o tempo para levar a mudança de temperatura
até o controlador, ou seja, aumenta o tempo morto.
O sistema de controle automático contínuo tem como característica um controlador cuja saída varia continuamente, isto é, podendo assumir qualquer valor compreendido entre os limites máximo e mínimo.
Naturalmente os controladores e os elementos finais de controle contínuo diferem dos de um controle descontínuo. No controle descontínuo, a variável controlada varia em torno do desejado. Nos sistemas de controle contínuo, a variável controlada não oscila, mas se mantém constante no set-point. Caso ocorra algum distúrbio, o sistema só atuará no sentido de corrigir após perceber esse desvio na medição.
Os sistemas de controle automático descontínuos apresentam um sinal de controle que normalmente assume apenas dois valores distintos. Eventualmente, este sinal poderá ser
escalonado em outros valores.• Num sistema de controle descontínuo de duas
posições, o controlador apresenta apenas dois níveis de saída: alto e baixo (ON/OFF).
• Existem também sistemas de controle descontínuos de tres posições, onde o controlador pode fornecer um sinal de saída em três níveis (0, 50 e 100%).
Temos dois tipos de sistemas de controle descontínuos:
• De duas posições sem histerese; É o tipo de controle em que a variação da
variável do processo é definida apenas por um único ajuste no elemento controlador.
• De duas posições com histerese; É o tipo de controle em que a faixa de variação
da variável do processo é definida por dois ajustes, um mínimo e um máximo, no elemento controlador
Gráfico do comportamento do controle descontínuo de duas posições sem histerese.
Gráfico do comportamento do controle descontínuo de duas posições com histerese.
• Medição • Comparação• Computação • Correção
O sistema de controle é então um equipamento sensível ao desvio, corrigindo-o. Ele monitora um sinal na saída de um processo e atua na entrada do processo.
• COMPARADOR = Tem como função gerar um sinal de erro proporcional a diferença instantânea entre a variável e set-point.
• TRATAMENTO DO OFF-SET = Tem como a função processar o sinal de erro (off-set) gerando um sinal de correção.
• Dependendo da forma como o sinal de erro (off-set) é
processado, podemos dispor de um sistema de controle contínuo subdividido em:
• Controle Proporcional (P)• Controle Proporcional + Integral (P + I) • Controle Proporcional + Derivativo (P + D)• Controle Combinado (P + I + D)
• Medição A função de medição‚ exercida pelos elementos
sensores, avaliam a variável de saída do processo e geram o sinal de medição.
• Comparação A função comparação possui entrada para o
sinal de medição e compara com o valor desejado, que por sua vez produz um sinal quando existe um desvio entre o valor medido e o valor desejado. Este sinal produzido na saída do detetor de erro é chamado de sinal de erro ou off-set.
• Computação A função computação lê o sinal de erro e calcula
o sinal de correção. Este por sua vez irá controlar o elemento final de controle.
• Correção A função de correção é exercida pelo elemento
final de controle na entrada do processo, de acordo com o sinal de correção.
Os sistema de controle automático têm atrasos de tempo que podem influir seriamente no desempenho das malhas de controle.• Atrasos nos meios de medição;
• Atrasos do detector de erro e do amplificador nos controladores pneumáticos;
• Atrasos de transmissão pneumática;
• Atrasos do elemento final de controle
Estudaremos as ações de controle P, PI e PD em Malha Aberta.• Controle Proporcional
A amplitude de correção é proporcional a amplitude do desvio.
• Controle Proporcional + Integral A ação integral repete a correção da ação proporcional
ao longo do tempo. A velocidade da correção no sinal de saída é proporcional a amplitude do desvio.
• Controle Proporcional + Derivativo A ação derivativa antecipa a correção da ação
proporcional. A amplitude de correção é proporcional a velocidade do desvio.
É a evolução do controle de duas posições; A saída do controlador proporcional pode
assumir qualquer valor desde que compreendido entre os limites de saída máxima e mínima, em função do erro verificado;
Controladores com ação integral são considerados de ação dinâmica, pois a saída dos mesmos é uma função do tempo da variável de entrada.
Nos controladores com ação derivativa, a saída do controlador é proporcional a velocidade de variação do erro na entrada.
Ganho do Controlador: • É uma constante de proporcionalidade entre o erro e
o sinal de saída do controlador (G).
Banda Proporcional:• É a faixa de erro, responsável pela variação de 0 a
100% do sinal de saída do controlador. Ou ainda o quanto (%) deve variar o erro, para se ter uma variação total (100%) da saída. É dado pela equação BP=100/G
Controlador Proporcional em Malha Aberta:
Controlador Proporcional + Integral em Malha Aberta:
Controlador Proporcional + Derivativo em Malha Aberta:
Ação Proporcional:• A característica da ação proporcional é de
acelerar a resposta da variável do processo, após uma seqüência de variações da própria variável ou mudança de set-point.
• O estudo da ação proporcional sobre um processo em malha fechada mostra que a correção da ação proporcional deixa sempre um off-set, ou seja, não elimina totalmente o erro.
Exemplo numérico ação proporcional:• Considerando o reservatório a seguir, onde entram
água quente e água fria. A temperatura da água que sai é regulada por um controlador de temperatura que age sobre a entrada de água fria.
Exemplo numérico ação proporcional:• Em situação de equilíbrio teremos a PV e SP em 50
ºC:
• Adotando que o ajuste da banda proporcional foi feita de modo que para cada 1 ºC de erro, o controlador corrige a vazão de água fria em 5 l/h. Vamos simular uma variação da PV para 45 ºC. Assim teremos um novo valor de vazão: (-5 ºC . 5 l/h ) = 100 - 25 = 75 l/h). Portanto o novo valor de temperatura da PV será:
Exemplo numérico ação proporcional:• O SP ainda não voltou aos 50 ºC, pois temos 4 ºC
de erro. Assim o valor de vazão muda para: (+4 ºC . 5 l/h ) = 100 + 20 = 120 l/h). Portanto o novo valor de temperatura da PV será:
• A curva resultante mostra que só o proporcional não corrige o off-set(erro):
Ação Proporcional + Integral:
• A característica da ação integral é a de que corrige a posição da válvula até que não exista mais desvio. Então adicionando a integral à proporcional, a indesejável característica do off-set poderá ser superada. As duas juntas são chamadas de: reajuste automático, reposição ou simplesmente reset.
Ação Proporcional + Derivativo:
• A característica da ação derivativa é que a quantidade de movimento da válvula é proporcional a velocidade a qual muda a temperatura. Quanto maior a velocidade do desvio, maior a amplitude de correção.
Ação Proporcional + Integral + Derivativo:• Depois de analisar as ações de controle
separadas, chega-se a conclusão de que:
Ação Proporcional: Não elimina o off-set Ação Integral: Elimina o off-set mas não da
estabilidade para a malha de controle. Ação Derivativa: Tem um efeito estabilizante no
processo, porém não elimina o off-set.
Assim nada mais interessante do que juntar as três ações de controle.
A curva resultante da posição da válvula mostra que primeiramente um excesso de correção foi aplicado para opor-se ao afastamento da variável do valor desejado. Este excesso de entrada de energia é representado pela área E. Logo depois uma correção inferior a que seria necessária é aplicada e a variável volta ao valor desejado. Essa segunda correção é representada pela área F. Nota-se que, finalmente, nem a ação proporcional nem a ação derivativa permaneceram com qualquer correção na posição final da válvula; apenas a ação integral produz esta correção que satisfaz exatamente a nova condição de carga.
O que é um bom controle?
Existem três critérios para se analisar a qualidade de desempenho de um controlador. A escolha de um critério depende do processo em análise. Todos esses critérios referem-se a forma e a duração da curva de reação depois de um distúrbio.
O que é o melhor para um processo pode não ser para outro.
Critério da taxa de amortecimento ou área mínima:• De acordo com esse critério, a área envolvida pela curva de
recuperação deverá ser mínima. Quando essa área é mínima, o desvio correlaciona a menor amplitude com o menor tempo.
• Normalmente a área é mínima quando a relação de amplitude entre dois picos sucessivos é 0,25 (1/4);
• Esse critério é utilizado em processos que tem uma faixa estreita de trabalho, sendo que qualquer desvio pode ocasionar um produto fora de especificação. Neste caso o melhor controle é aquele que permite o afastamento desta faixa pelo tempo mínimo.
Curva de reação do Critério Área Mínima:
Critério do Distúrbio Mínimo• De acordo com esse critério, as ações de controle deverão criar o
mínimo de distúrbio à alimentação do agente de controle e a saída do processo;
• Toda vez que se tenha uma condição onde a saída de um processo é a entrada de outro, as variações repentinas ou cíclicas de saída do primeiro processo pode ser uma mudança de carga intolerável para o segundo;
• É aplicado a processo onde ações corretivas constituem distúrbios aos processos associados. Exemplo: correções repentinas ou cíclicas em válvulas de controle de vapor podem desarranjar a alimentação de vapor das linhas alimentadas;
• Para que isso aconteça, é necessário curvas de recuperação não ciclicas.
Curva de reação do critério de Distúrbio Mínimo
Critério da Amplitude Mínima• De acordo com esse critério a amplitude do desvio deverá ser
mínima.• É aplicado em processos onde o equipamento ou o produto
podem ser danificados por desvios excessivos, mesmo sendo de pouca duração. Faz-se necessário o ajuste do controle para que produza desvios de menor amplitude.
• Exemplo: Na fundição de determinadas ligas metálicas, especialmente as de alumínio, uma ultrapassagem mesmo temporária de temperatura pode queimar o metal e reduzir sua qualidade.
Curva reação do critério da Amplitude Mínima
Considerações Gerais:• Depois que um sistema de controle é instalado, o controlador é
ajustado normalmente até atingir uma performance satisfatória. Quando isso ocorre dizemos que o sistema foi sintonizado.
• Essa atividade também pode ser chamada de: Sintonia de controlador ou sintonia de campo.
• Tendo em vista que a sintonia é feita por tentativa e erro, ela resulta numa tarefa demorada e tediosa. Para minimizar esse problema é interessante dispor de uma estimativa preliminar dos parâmetros do controlador.
Considerações Gerais:
• As variáveis normalmente encontradas nas malhas e que necessitam ser controladas são:
• Vazão• Nível de Líquido• Pressão de Gás• Temperatura• Densidade
Controles de Vazão:
• As malhas de controle de vazão e pressão de líquidos têm as mesmas características:
• Respostas rápidas(da ordem de segundos);• Normalmente não há tempo morto;• O sensor e o transmissor introduzem atrasos (se forem
instrumentos pneumáticos);• Perturbações na vazão são freqüentes mas de pouca influência;
• Normalmente são usados controladores PI
Controles de nível de Liquido:
• Sistemas de controle de nível são instáveis em malha aberta;• O aumento do ganho do controlador reduz a oscilação do
sistema;• As técnicas usuais de projeto e sintonia de controladores não tem
boa performance.
• Normalmente são usados controladores PI
Controles de Pressão de Gás:
• Os sistemas de controle de pressão de gás são fáceis de controlar, exceto quando envolvem equilíbrio liquido-gás (devido a mudança de massa entre as fases).
• A ação derivativa não é necessária devido ao tempo de resposta do processo ser pequeno.
• Normalmente são usados controladores PI
Controles de Temperatura:
• Devido a grande variedade de processos envolvendo transferência de calor( trocadores de calor, colunas de destilação, reatores, etc...) os critérios para controle de temperatura são mais difíceis de serem estabelecidos.
• Em função da presença de tempos mortos e capacitâncias térmicas cria-se um limite de estabilidade no ganho do controlador;
• Normalmente são usados controladores PID
Sintonia de controladores PID é um assunto muito importante na área de controle e otimização de processos, pois caso não estejam bem sintonizados, todas as outras estratégias de automação mais avançadas que dependem desse controle regulatório, funcionarão de forma inadequada;
O efeito de uma má sintonia é o aumento da variância das variáveis controladas, o que gera perdas econômicas que são consideráveis.
Se uma malha de controle não opera satisfatoriamente é necessário investigar as causas para resolver o problema.
É importante lembrar que a malha consiste de vários componentes: sensor, transmissor, controlador, válvula de controle e o próprio processo. Então o problema muitas vezes pode estar relacionado a um desses componentes e nem sempre da sintonia.
Alguns fatores que deixam a malha instável ou excessivamente lenta são:
• Mudança das condições do processo, normalmente vazão de carga;• Emperramento de haste da válvula de controle; • Linha entupida de transmissor de pressão;• Trocadores de calor sujos, especialmente refervedores de colunas de
destilação;• Cavitação de bombas.
Método da Sensibilidade Limite:
• É um método desenvolvido por Ziegler e Nichols;• Permite o calculo dos três ajustes a partir dos dados
obtidos em um teste simples das características da malha de controle;
• Este método, baseado no ajuste de uma malha fechada até se obterem oscilações com amplitude constante, utiliza um conjunto de fórmulas para determinar os parâmetros do controlador, as quais requerem duas medidas do sistema: o Ganho critico (Gu :o ganho mínimo que torna o processo criticamente estável), e o período de oscilação correspondente, Pu .
Procedimento para a Calibração dos Parâmetros do Controlador: 1. Reduzir as acções integral e derivativa ao seu efeito mínimo; 2. Iniciar o processo com ganho reduzido; 3. Aumentar o ganho até que a variável controlada (saída do
sistema) entre em oscilações com amplitude constante, enquanto se provocam pequenas perturbações no sistema. Anotar o ganho, Gu, e o período de oscilação Pu.
Com a obtenção destes valores, podemos calcular os parâmetros do controlador com base nas seguintes fórmulas: