sintonia de malhas de controle 01 (introdução)

Your Success is Our Goal

Sintonia de Malhas de Controle - Ferramenta Intune

Introdução ao Controle de Processos


Sintonia de Malhas de Controle

Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 2

© I

T P

S 2

001

Objetivo

• Capacitar o participante a compreender as estratégias de controle

utilizadas nas Unidades das Plantas Piloto e a utilizar a ferramenta de

software INTUNE para a sintonia fina de malhas de controle.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 3

© I

T P

S 2

001

Ementa

• Controle PID

• Controle em Cascata

• PID Avançado e outras estratégias de controle

• Técnicas de sintonia de malhas de controle

• O software INTUNE

• Simulação e prática de sintonia de malhas de controle utilizando o

INTUNE



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 4

© I

T P

S 2

001

Principais Etapas no Desenvolvimento de Sistemas de Controle

Formular Objetivos de

Controle

Informações de plantas

existentes

Objetivos de Gerenciamento

Desenvolvimento do Modelo do

Processo

Escolher a Estratégia de

Controle

Selecionar o hardware de

controle

Dados de Plantas Existentes

Simulação Computaciona

l

Simulação Computaciona

l

Informações do mercado de hardware

Princípios Físico-Químicos

Teoria de Processos de Controle

Informações de plantas existentes

Instalação do Sistema de

Controle

Ajuste dos Parâmetros do

Controlador

Sistema Final de Controle



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 5

© I

T P

S 2

001

Por que controlar os processos ?

Segurança Operacional Especificação de produtos Regulamentações ambientais Restrições operacionais Otimização econômica

Objetivos de um sistema de controle

Suprimir a influência de perturbações externas Garantir a estabilidade do processo Otimizar o desempenho de um processo



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 6

© I

T P

S 2

001

Eficiência do Sistema de Controle

Com um controle mais eficiente tem-se:

• um menor desvio padrão na saída• uma maior proximidade entre o set-point e a especificação• uma maior otimização

Controle menos eficiente Controle mais eficiente

SP

especificação

SP

especificação



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 7

© I

T P

S 2

001

Familiarizando-se com a nomenclatura

Exemplo de Controle de Processo:

Tanque de Nível



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 8

© I

T P

S 2

001


Instrumentação:

- Válvula de controle

- Medidor de nível



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 9

© I

T P

S 2

001


Variáveis:

- Variável de Processo (PV – Process Variable)

- Variável Manipulada

- Variável Perturbada



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 10

© I

T P

S 2

001


Variáveis:

- Set-Point (SP)

- Erro (ou desvio)

- Variável Controlada



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 11

© I

T P

S 2

001

Definições

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

- Conjunto de instrumentos que permitem fazer o controle do processo.

- São instrumentos capazes de emitir e receber sinais.

ESTRATÉGIA DE CONTROLE

- Filosofia básica de controle.

- Define os instrumentos e a disposição física destes ao longo da planta.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 12

© I

T P

S 2

001

Definições

TIPOS DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE

A) Realimentação (Feedback)

- A correção é feita pelo aparecimento de um erro (desvio) da variável de processo.Ex.: Dirigir um carro através de um espelho retrovisor.

B) Antecipação (Feedforward)

- Tomada de decisão da correção pelo aparecimento de um desvio em outras variáveis de operação (que não a variável controlada).Ex.: Dirigir um carro através das placas de sinalização.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 13

© I

T P

S 2

001

Definições

TIPOS DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE

C) Cascata

- Baseia-se no conceito de realimentação atuando em cascata via instrumentação adequada.Ex.: Dirigir um carro utilizando mais de um espelho retrovisor.

D) Desacoplamento

- Aplicado a processos onde se controla mais de uma variável e existe forte interação entre estas.- Baseia-se na eliminação da influência de uma variável sobre a outra.Ex.: Dirigir um carro usando o celular com viva-voz.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 14

© I

T P

S 2

001

Definições

MALHA DE CONTROLE

- Representação prática da estratégia de controle. É composta por:

A) Processo

B) Instrumentos de Medição:Informam de modo contínuo os valores das variáveis de processo.

C) Instrumentos de ControleFazem a tomada de decisão e ação de atuação sobre o processo.

D) Instrumentos de AtuaçãoPermitem implementar a ação de correção.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 15

© I

T P

S 2

001

Definições

DIAGRAMA P&I

- Representação gráfica do fluxograma de processo simplificado acrescido do fluxograma de instrumentação.

DIAGRAMA DE BLOCOS

- Representação gráfica em forma de blocos dos sinais emitidos pelos elementos da malha de controle

TIC

I/P

TT

T

Fi, Ti

Diagrama P&I

Tanque de resfriamento

Gc Gv Gp

Gm

+-

Controlador Válvula Processo

Medidor

Diagrama de Blocos



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 16

© I

T P

S 2

001

Instrumentos de Medição e Transmissão

A maior parte dos instrumentos pode ser dividida em:

SENSOR: Definido pelo tipo e princípio de medição envolvido

TRANSMISSOR: Transmite o sinal de grandeza física em sinal padrão.

Sensor TransmissorVariávelMedida

VariávelControlada

Elemento de Medida

VariávelIntermediária



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 17

© I

T P

S 2

001

Instrumentos de Medição e Transmissão

TIPOS DE SINAL

- Pneumático: 3 a 15 psi- Eletrônico (analógico): 4 a 20 mA- Fieldbus (digital)

Exemplo: Termopar

TemperaturaPonto

de medição

Variável Intermediária

Pontode medição

Variável MedidaPonto

de medição

200°C

100°C

125°C

2,35 mV

1,20 mV

2,00 mV

20 mA

4 mA

8 mA



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 18

© I

T P

S 2

001

Elemento Final de Controle

- Motores;- Termoresistores;- Válvulas de controle; etc.

As válvulas de Controle podem ser eletrônicas ou pneumáticas (95%).

COMPONENTES PRINCIPAIS

Atuador CorpoVariávelManipulada(vazão)

Sinal deSaída doControlador

Válvula Eletrônica


ConversorVariávelManipulada(vazão)

Sinal deSaída doControlador

Válvula Pneumática

PSIGAtuador Corpo




Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 19

© I

T P

S 2

001


COMPONENTES PRINCIPAIS

A) CONVERSOR

Converte o sinal elétrico em sinal de pressão (4-20 mA 3-15 psi).

B) ATUADOR

Recebe sinal do controlador ou conversor e aciona a haste da válvula.

C) CORPO

Composto pela parte diretamente ligada ao processo.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 20

© I

T P

S 2

001


AÇÃO DAS VÁLVULAS DE CONTROLE

A escolha da ação das válvulas é de fundamental importância para a a segurança do processo e para a escolha dos parâmetros do controlador.

A) AR PARA ABRIR

Também chamada de ação direta ou falha fechada. Quanto maior o sinal, maior a abertura da válvula.

B) AR PARA FECHAR

Também chamada de ação reversa ou falha aberta. Quanto menor o sinal, maior a abertura da válvula.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 21

© I

T P

S 2

001

Elemento Controlador

CONTROLADORES

Equipamentos responsáveis pela tomada de decisão de corrigir os desvios que ocorrem entre na variável controlada.

TIPOS DE CONTROLADORES

A) Contínuos:

Continuamente recebem o sinal, tomam decisão e enviam o sinal.

B) Descontínuos:

Trabalham com sinais discretos. Controlador lógico programável (CLP).



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 22

© I

T P

S 2

001


CONTROLADORES CONTÍNUOS

Executam duas funções:

A) COMPARAÇÃO

Comparam os valores das variáveis medidas com o valor do set-point.

B) CORREÇÃO

Calcula a modificação que deve ser feita à variável manipulada de modo a controlar o processo.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 23

© I

T P

S 2

001


POSIÇÃO DOS CONTROLADORES

A) MANUAL

Saída de controle é independente do modo de controle.

B) AUTOMÁTICO

Saída de controle é função do modo de controle (não há interferência direta do operador).



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 24

© I

T P

S 2

001


AÇÃO DOS CONTROLADORES

Está diretamente ligada à ação dos elementos finais de controle (e não o contrário).

A) AÇÃO DIRETA

Para um aumento na variável medida o controlador aumenta o sinal de saída.

B) ACÃO REVERSA

Para um aumento na variável medida o controlador reduz o sinal de saída.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 25

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

De acordo com a dinâmica do processo a ser controlado e das características dos elementos que constituem a malha de controle diferentes modos de controle devem ser escolhidos.

A) DUAS POSIÇÕES (ON-OFF)

Grandemente associado a um tipo de controlador descontínuo (CLP). Quase sempre presente em malhas de controle já que constitui um importante método de intertravamento do processo garantindo a segurança da operação.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 26

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

B) CONTROLE PROPORCIONAL (P)

Usado necessariamente em controladores contínuos.

É definido como uma correção proporcional ao erro.

Onde:E – erro (ou desvio)SP – set-pointVM – variável medidaCO – saída do controladorKc – constante ou ganho do controlador

)()(

)()()(

tEKtCO

tVMtSPtE

C

CONTROLADORE(t)SP(t)

VM(t)

CO(t)



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 27

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle


O que pode causar um erro ou desvio da variável medida ?

- Modificações no S.P.- Perturbações nas condições de operação do processo.

SP(t)VM(t)

t

t

tE(t)

CO(t) Kc1

Kc2

Kc1> Kc2

Quanto maior o valor de KC,maior a ação de correção.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 28

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle


Porém existe um limite máximo para o valor de KC, determinado pela dinâmica dos elementos da malha, a partir do qual a malha de controle se tona instável.

Ou seja:

KC Infinito, leva a uma instabilidade do processo

O valor do ganho KC é determinado pela análise do comportamento dinâmico da malha de controle.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 29

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

C) CONTROLE INTEGRAL (I)

A ação de correção é descrita por uma integral no tempo.

A saída de controle é proporcional à integral do erro.

Onde:E – erro (ou desvio)SP – set-pointVM – variável medidaCO – saída do controladorI – constante de tempo integral

t

I

dttEtCO

tVMtSPtE

0

)(1

)(

)()()(



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 30

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

C) CONTROLE INTEGRAL (I)

O parâmetro a ser determinado nessa ação de controle é a constante de tempo integral (I).

Muitas vezes escreve-se a constante de tempo na forma de reset rate ou taxa integral:

A ação integral faz com que o CO continue atuando até que o off-set seja reduzido a zero.

Observação: Chama-se de off-set o erro ou desvio de um processo em estado estacionário.

I1

RateReset



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 31

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

D) CONTROLE PROPORCIONAL INTEGRAL (PI)

É uma ação de controle composta de dois modos de controle:- Proporcional- Integral

Existem duas possibilidades para modelar a ação PI:

1) Forma Paralela 2) Forma Não-Interativa

t

IC dttEtEKtCO

tVMtSPtE

0

)(1

)()(

)()()(

t

IC dttEtEKtCO

tVMtSPtE

0

)(1

)()(

)()()(



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 32

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

E) CONTROLE DERIVATIVO (D)

É chamado também de antecipatório.

A saída de controle é proporcional à derivada do erro.

Onde:E – erro (ou desvio)SP – set-pointVM – variável medidaCO – saída do controladorD – constante de tempo derivativa

dt

tEdtCO

tVMtSPtE

D

)()(

)()()(



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 33

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

F) CONTROLE PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID)

É o mais completo dos modos de controle convencionais pois soma as características dos três modos básicos

Descrito na forma paralela como:

E na forma não-interativa como:

dt

tEddttEtEKtCO

tVMtSPtE

D

t

IC

)()(

1)()(

)()()(

0

dt

tEddttEtEKtCO

tVMtSPtE

D

t

IC

)()(

1)()(

)()()(

0



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 34

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

COMPARAÇÃO ENTRE OS MODOS DE CONTROLE

S/ controle

P

PIPID

E(t)

t



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 35

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

RESUMINDO

•Controle proporcional: acelera a resposta de um processo controlado; produz off-set

•Controle integral: elimina off-set; produz respostas lentas, com longas oscilações; se o ganho proporcional é aumentado para acelerar a resposta, o sistema se torna mais oscilatório e tende à instabilidade

•Controle derivativo: antecipa futuros erros e introduz a ação apropriada; introduz efeito estabilizante na resposta da malha de controle



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 36

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

•Controle proporcional: deve ser usado sozinho sempre que possível, ou seja, quando se pode aceitar off-sets com moderados ganhos do controlador (P). Desta forma, para controle da pressão de gases ou do nível de líquidos este controle pode ser utilizado.

•Controle PI: Deve ser utilizado quando o P não for suficiente para promover pequenos off-sets. O PI é muito utilizado em controle de vazão. A resposta de um sistema de vazão é muito rápida, o que equilibra a desaceleração causada na resposta do controlador pelo incremento da ação integral.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 37

© I

T P

S 2

001

Modos de Controle

•Controle PID: Para processos que possuem uma dinâmica lenta, a adição de um controlador PI o torna ainda mais lento, pois este controle reduz o off-set, mas diminui a rapidez da resposta da malha de controle. Nestes casos, a adição da ação derivativa, com seu efeito estabilizante, permite o uso de maiores ganhos, o que aumenta a velocidade da resposta da malha sem oscilações excessivas. Desta forma, ações derivativas são recomendadas para controle de temperatura e composição.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 38

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Vamos voltar ao exemplo descrito no início da apresentação para aplicar os conhecimentos adquiridos.

Seja um tanque de nível composto de uma entrada e uma saída de líquido. Deseja-se fazer o controle do nível deste tanque.

Para isso dispõe-se de uma válvula de controle na tubulação de saída deste tanque e de um medidor de nível.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 39

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 1: Para atender as normas de segurança da operação qual deve ser o

tipo de válcula de controle a ser utilizada ? AR PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 40

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 1: Para atender as normas de segurança da operação qual deve ser o

tipo de válcula de controle a ser utilizada ? AR PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?

Para evitar o transbordo do tanque e o alagamento do pátio deve-se optar por um válvula do tipo AR PARA ABRIR. Dessa forma, em caso de pane a válvula ficará completamente fechada e o tanque se esvaziará.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 41

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 1.1: Agora imagine um caso um pouco diferente do anterior. AR

PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 42

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 1.1: Agora imagine um caso um pouco diferente do anterior. AR

PARA ABRIR ou AR PARA FECHAR ?

Para evitar o transbordo do tanque e o alagamento do pátio deve-se optar por um válvula do tipo AR PARA FECHAR.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 43

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 2: Qual o tipo de relação entre a variável manipulada (vazão de

entrada) e a variável controlada (nível do tanque) ?



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 44

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 2: Qual o tipo de relação entre a variável manipulada (vazão de

entrada) e a variável controlada (nível do tanque) ? Direta ou inversa ?

É uma relação inversa, ou seja, um aumento da vazão de entrada leva a um aumento do nível do tanque.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 45

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 3: Após responder às perguntas 1 e 2 você já é capaz de determinar a

ação do controlador. Ação direta ou ação reversa ?



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 46

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 3: Após responder às perguntas 1 e 2 você já é capaz de determinar a

ação do controlador. Ação direta ou ação reversa ?

Vamos responder usando um exemplo. Imagine que o nível está abaixo do SP, ou seja, desvio positivo. Para atingir o nível é preciso aumentar a vazão de entrada, que corresponde a abrir a válvula, logo enviar um sinal mais alto para a “válvula de ar para abrir”. Com isso usa-se um controlador de AÇÃO DIRETA.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 47

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 4: Escolha uma opção de modo de controle sabendo que:

a) O nível está sendo controlado apenas como medida de segurança, ou seja, o valor de set-point não precisa ser necessariamente alcançado (tolera-se a presença de off-set):



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 48

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso


a) O nível está sendo controlado apenas como medida de segurança, ou seja, o valor de set-point não precisa ser necessariamente alcançado (tolera-se a presença de off-set):

Pode-se optar por um controlador apenas Proporcional, já que é muito mais simples de ser sintonizado.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 49

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso


b) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 50

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso


b) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação.

Deve-se, então, um controlador Proporcional Integral para que seja zerado o off-set..



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 51

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso


c) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação e além disso trata-se de um tanque de grandes dimensões.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 52

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso


c) O nível deve ser mantido próximo ou até igual ao set-point durante toda a operação e além disso trata-se de um tanque de grandes dimensões.

Deve-se, então, um controlador PID para que seja zerado o off-set e além disso seja feita uma aceleração na resposta da variável controlada, já que um tanque de grande área de base gera respostas dinâmicas muito lentas.



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 53

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 5: Vamos considerar agora que o processo já está sendo controlado

através de um PID, mas verifica-se que a variável controlada apresenta muitos ruídos (variações aleatórias). Qual dos modos de controle podem estar contribuindo para a ampliação desse ruído, dificultando o controle desse processo?



Ferramenta INTUNE

Sin

toni

a.pp

t

08-

02-0

2

Slid

e 54

© I

T P

S 2

001

Estudo de Caso

Pergunta 5: Vamos considerar agora que o processo já está sendo controlado

através de um PID, mas verifica-se que a variável controlada apresenta muitos ruídos (variações aleatórias). Qual dos modos de controle podem estar contribuindo para a ampliação desse ruído, dificultando o controle desse processo?

O modo derivativo, já que caracteriza-se pelo cálculo das derivadas dos erros.

sintonia de malhas de controle 01 (introdução)

Documents