teoria de controle parte 1

18/6/2012

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Instrumentação industrialTeoria de Controle (Parte 1)

Antonio de Pádua

No atual mercado competitivo, as empresas são obrigadas a melhorar continuamente a produtividade das suas plantas industriais.

Uma das áreas tecnológicas fundamentais para se aumentar a rentabilidade das unidades é a de controle, automação e otimização de processos.

Vários são os ganhos da aplicação destas tecnologias nos processos industriais:

�Aumento do nível de qualidade dos produtos.

Instrumentação – Teoria de Controle


�Minimização da necessidade de reprocessamento. Isto é, com um sistema de controle ruim os produtos podem não atingir as especificações desejadas, o que leva muitas vezes a necessidade de se recircular e fazer com que os produtos passem novamente pelas unidade de processamento, com todos os custos de energia envolvidos.

�Aumento da confiabilidade dos sistemas, pois os controles bem projetados evitam que os equipamentos operem em regiões indesejadas, onde ocorre um deterioração mais rápida dos mesmos, e possíveis paradas não programadas para manutenção

�Aumento do nível de segurança da unidade, pois os controles podem atuar para evitar um aumento brusco e perigoso de uma pressão ou temperatura.

�Liberação do operador de uma série de atividades manuais e repetitivas. Por exemplo, em sistemas com um controle deficiente o operador pode ser obrigado muitas vezes a ficar atuando constantemente em válvulas para manter um nível ou uma temperatura nos seus respectivos valores desejados, deixando de executar uma tarefa de supervisão e otimização da planta.



O termo controle de processos costuma ser utilizado para se referir a sistemas que têm por objetivo manter certas variáveis de uma planta industrial entre os seus limites operacionais desejáveis.

�O primeiro controlador automático industrial de que há notícia é o regulador centrífugo inventado em 1775, por James Watts, para o controle de velocidade de máquinas à vapor.


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�Esta invenção foi puramente empírica. Nada mais aconteceu no campo de controle até 1868, quando Clerk Maxwell, utilizando o cálculo diferencial, estabeleceu a primeira análise matemática do comportamento de um sistema máquina-regulador.

�Por volta de 1900 aparecem outros reguladores e servomecanismos aplicados à máquina a vapor, a turbinas e a alguns processos.

�Durante a primeira guerra mundial, N. Minorsky cria o servocontrole, também baseado na realimentação, para a manutenção automática da rota dos navios e escreve um artigo intitulado “ Directional Stability of Automatically Steered Bodies”.


�O trabalho pioneiro de Norbert Wiener (1948) sobre fenômenos neurológicos e os sistemas de controle no corpo humano abreviou o caminho para o desenvolvimento de sistemas complexos de automação.

�A partir daqui o progresso do controle automático foi muito rápido. Atualmente existe uma enorme variedade de equipamentos de medidas primárias, transmissão das medidas (transmissores), de regulação (controles pneumáticos, elétricos e eletrônicos), de controle final (válvulas pneumáticas, válvulas solenóide, servomotores etc.), de registro (registradores), de indicação (indicadores analógicos e digitais), de computação ( relés analógicos, relés digitais com microprocessador), PLC’s, SDCD’S etc.

�Estes equipamentos podem ser combinados de modo a constituírem cadeias de controle simples ou múltiplas, adaptadas aos inúmeros problemas de controle e a um grande número de tipos de processos.


�Em 1932, H Nyquist, da Bell Telephone, cria a primeira teoria geral de controle automático com sua “Regeneration Theory”, na qual se estabelece um critério para o estudo da estabilidade.


•Controlar uma processo industrial, significa manter os valores das variáveis do processo dentro de uma faixa aceitável para sua operação conveniente.

•Buscar dentro de cada faixa, o valor ótimo para cada variável denominado valor desejado, ou set-point.

•Manter os processos em seus pontos operacionais mais eficientes e econômicos;

•Prevenir condições instáveis no processo que podem pôr em risco pessoas e/ou equipamentos.

•Exibir dados sobre o processo aos operadores da planta

Instrumentação – Teoria de ControleObjetivos do Controle de processos

Instrumentação – Teoria de ControleObjetivos do Controle de processos


�O controle automático tem como finalidade a manutenção de uma certa variável ou condição num certo valor ( fixo ou variante). Este valor que pretendemos é o valor desejado.

�Para atingir esta finalidade o sistema de controle automático opera do seguinte modo:

�Medida do valor atual da variável que se quer regular.

�Comparação do valor atual com o valor desejado (sendo este o último indicado ao sistema de controle pelo operador humano ou por um computador). Determinação do desvio.

�Utilização do desvio ( ou erro) para gerar um sinal de correção.

�Aplicação do sinal de correção ao sistema a controlar de modo a ser eliminado o desvio, isto é, de maneira a reconduzir a variável ao valor desejado. O sinal de correção introduz pois variações de sentido contrário ao erro.

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�De todas as grandezas relativas ao sistema ( Nível, pressão, vazão, densidade, pH, energia fornecida, salinidade etc.) a grandeza que nos interessa, neste caso, regular é a temperatura da água.

�A temperatura é então a variável controlada.

�Normalmente as cadeias de controle são muito mais elaboradas. Neste exemplo simples encontramos contudo as funções essenciais de uma malha de controle:

�Medida – a cargo do sistema termométrico.

�Comparação – efetuada pelo sistema de contatos ( Posição relativa)

�Computação – Geração do sinal de correção ( efetuada também pelo sistema de contatos e pelo resto do circuito do termostato)

�Correção – Desempenhada pelo orgão de controle - contator


�Para a correção da variável controlada ( temperatura) deve-se atuar sobre outra variável (quantidade de calor fornecida ao depósito). A ação de controle é aplicada normalmente, a outra da qual depende a variável controlada e que se designa com o nome de variável manipulada

�No exemplo, o sinal de controle pode ser a corrente elétrica i.

Instrumentação – Teoria de Controle Instrumentação – Teoria de Controle


�Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que torna bastante difícil de ser analisado.

Para facilitar o seu entendimento e a fim de mostrar as funções desempenhadas por seus componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado “ Diagrama de Blocos”.


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Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada componente e do fluxo de sinais. Assim, os componentes principais de um sistema são representados por blocos e são integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos.

Estes diagramas são, então utilizados para representar as relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.


Diagrama de Blocos

Tipos de Controle

Controle Manual e Controle Automático.

Inicialmente considere o caso em que um operador detém a função de manter a temperatura da água quente em um dado valor.

Neste caso, um termômetro está instalado na saída do sistema, medindo a temperatura da água quente.

O operador observa a indicação do termômetro e baseado nela, efetua o fechamento ou abertura da válvula de controle de vapor para que a temperatura desejada seja mantida.

Instrumentação – Teoria de Controle Instrumentação – Teoria de ControleControle Automático

Consideremos agora que no lugar do operador foi instalado um instrumento capaz de substituí-lo no trabalho de manter a temperatura da água quente em um valor desejado.

Instrumentação – Teoria de ControleControle Automático

Neste caso, este sistema atua de modo similar ao operador, tendo então um detector de erro, uma unidade de controle e um atuador junto a válvula, que substituem respectivamente os olhos do operador, seu cérebro e seus músculos.

Desse modo, o controle da temperatura da água quente é feito sem a interferência direta do homem, atuado então de maneira automática, sendo portanto um caso de controle automático


Controle em Malha Aberta e Malha Fechada

Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.

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É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. Um exemplo prático deste tipo de sistema, é a máquina de lavar a roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinadados.

Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta.

Instrumentação – Teoria de ControleControle em Malha Aberta

Instrumentação – Teoria de ControleControle em Malha Aberta

É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado.

Instrumentação – Teoria de ControleControle em Malha Fechada

Um exemplo prático deste tipo de controle, é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho.




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É a característica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada. Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma seqüência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defasagem entre o valor desejado e valor do processo, esta recebe o nome de realimentação negativa.


Realimentação


Três termos são fundamentais, os quais estão ligados a qualquer processo:

1. Variável controlada – é a condição que se deseja manter num determinado nível, ou seja, a variável envolvida no processo tal como nível, vazão, pressão, temperatura etc.

2. Valor desejado (set point) – É o valor de referência para cada variável, que se deseja manter;

3. Variável Manipulada – É normalmente a vazão de um fluido cuja a alteração influência a variável controlada.


Em controle simples, em geral, para cada variável controlada existe uma variável manipulada

Em malhas complexas, entretanto, podem-se ter mais variáveis controladas do que manipuladas

Além disso, há os distúrbios que tendem a afastar as variáveis controladas do valor desejado. Assim, a função do sistema de controle é ajustar a variável manipulada, de forma a manter a variável controlada no valor desejado, apesar da existência de eventuais distúrbios


Controle por Realimentação

• O controle por realimentação utiliza o desvio do valor da variável controlada em relação ao valor desejado (erro) para efetuar a ação corretiva.

• Sensores são instalados para medir as variáveis controladas.

• Estes valores são transmitidos ao hardware de controle, que efetua a comparação automática com os valores desejados e calcula, com base no erro, os valores dos sinais que devem ser enviados para ajustarem as variáveis manipuladas, e conseqüentemente, a ação dos elementos finais de controle (normalmente válvulas de controle com atuadores pneumáticos).



• O controle por realimentação é o mais comum e o mais utilizado na prática

• Um transmissor gera continuamente um sinal que representa o valor da variável de processo na saída do mesmo, e esse sinal é subtraído do valor desejado

• Se estes valores são iguais, a posição da válvula não se altera, havendo um equilíbrio, de modo que a variável se mantém no valor desejado.

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• Se o valor medido for diferente do valor desejado, o controle altera sua saída de modo a alterar o valor da variável manipulada ( através da válvula de controle), de forma a eliminar o erro.

• Assim, o controlador resolve o problema de controle na base da tentativa e erros.

• Só tomando a ação corretiva quando o erro for detectado.


Componentes de um sistema de controleSensor/transmissor e Controlador

• Um sensor detecta o valor da variável de processo, o qual é enviado ao controlador através de um transmissor.

• O controlador recebe do transmissor o sinal correspondente à variável de processo. Um mecanismo de comparação computa um eventual desvio em relação ao valor desejado ( Set-Point (SP)).

• A malha de controle tem no controlador o seu elemento principal, no que se refere a tomada de decisão para corrigir o valor da variável controlada

• A forma em que o controlador envia sua saída para o elemento final é função da ação de controle



Componentes de um sistema de controleSensor/transmissor e Controlador

• Com relação a dinâmica do sistema de medição, existem sistemas lentos e sistemas que respondem de forma rápida.

Instrumentação – Teoria de ControleComponentes de um sistema de controle

Sensor/transmissor e Controlador Malha Aberta

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Instrumentação – Teoria de ControleComponentes de um sistema de controle

Sensor/transmissor e Controlador Malha Fechada

Instrumentação – Teoria de ControlePrincipais Problemas para o Controle de Processos

•É de fundamental importância o conhecimento das características do processo .

•Comparação com os sistema elétricos

•Resposta a mudança de nível.

•A resposta do sistema não é também um degrau, como na entrada, em função da resistência e da capacitância do sistema

•As distorções na saída, em relação à entrada do sistema , são, devidas aos denominados atrasos.

Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e /ou massa, o que conseqüentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades.


ATRASOS NO PROCESSO


Principais Problemas para o Controle de Processos

Os atrasos podem ser de três tipos:

1. Atrasos relativos ao próprio processo

2. Atrasos na medição das variáveis do processo.

3. Atrasos na transmissão dos valores das variáveis medidas

Instrumentação – Teoria de ControleAtrasos do Processo

Os processos, normalmente, não conseguem absorver ou devolver energia de modo instantâneo, o que provoca um atraso na resposta dos sistema a uma dada alteração na entrada.

Capacitância:

A capacitância de um processo é um fator muito importante no controle automático. É uma medida das características próprias do processo para manter ou transferir uma quantidade de energia ou de material.

Resistência:

A resistência é uma oposição total ou parcial à transferência de energia ou de material entre as capacitâncias.


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Instrumentação – Teoria de ControleAtrasos na Medição

Em determinados sistemas ocorrem atrasos quanto a detecção do valor da variável do processo, como é o caso de sistemas de controle de temperatura.

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.

Instrumentação – Teoria de ControleAtrasos na Medição

Instrumentação – Teoria de ControleAtrasos da Transmissão

Além dos atrasos já analisados devemos considerar, também, os atrasos na transmissão dos valores das variáveis medidas, próprios dos sistemas de transmissão pneumáticos.

os sistemas eletrônicos praticamente não introduzem atrasos nos sistemas de controle, sendo desprezíveis na maioria das aplicações.

Instrumentação – Teoria de ControleAtrasos da Transmissão

Algumas precauções devem ser tomadas quanto a especificação do sistema de transmissão pneumáticos para diminuir os efeitos dos atrasos na transmissão:

• Utilização de tubos de transmissão com maior diâmetro

• Instalação de reforçadores de sinal para diminuir o tempo de resposta

• Em caso de sistemas pneumáticos e onde são requeridas respostas muito rápidas, procura-se instalar o controlador o mais próximo possível da válvula de controle, e também do transmissor ( eventualmente controlador local).

Instrumentação – Teoria de ControleAtrasos


Características de Processos Industriais

Podemos definir um processo, como uma operação ou desenvolvimento natural, que evolui progressivamente, caracterizado por uma série de mudanças graduais que se sucedem, uma em relação às outras, de um modo relativamente fixo e objetivando um particular resultado ou meta.

No âmbito industrial o termo processo significa uma parte ou um elemento de uma unidade de produção.

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Instrumentação – Teoria de ControleAções de ControleLiga desliga (on-off)

• A saída de um controlador liga-desliga muda de ligada para desligada, à medida que o sinal de erro passa pelo zero, ou seja, quando a variável passa pelo ponto de ajuste.

• O elemento final de controle, neste caso, é normalmente uma válvula solenóide, qual assume apenas duas posições extremas, aberta ou fechada.


• Neste sistema quando a temperatura se afasta do ponto de ajuste, aumentando, a válvula solenóide se encontra fechada e a saída do controlador é 0%.

• Nesta situação, a temperatura atinge um valor máximo, a partir do qual começa a diminuir até encontrar novamente o ponto de ajuste.

• Neste instante, a saída do controlador passa para 100% abrindo a válvula solenoide, que admite vapor no sistema.

• A partir deste momento, a temperatura atinge um valor mínimo (devido a inércia do sistema) e começa a aumentar novamente, até atingir de novo o ponto de ajuste.


• O controle liga-desliga leva a variável a oscilar em torno do ponto de ajuste.



• São largamente utilizados na industria em sistemas que admitem oscilação

• É comum, nestas aplicações, a adição de uma zona morta ( diferencial) ao controlador, o que diminui a freqüência de oscilação e também o desgaste do elemento final

• Os controladores normalmente utilizados nestas aplicações são os pressostatos, chaves de nível, termostatos.


É utilizado tipicamente:• em sistemas de ar acondicionado

• sistemas de refrigeração doméstica

• sistemas de aquecimento, quando a temperatura pode variar, sem problemas para o sistemas, dento de uma faixa e em torno de um valor de referência

• O sistema de controle liga-desliga é também utilizado em desligamento de segurança, para proteção de pessoal e equipamento, durante as condições anormais de processo.

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Instrumentação – Teoria de ControleAções de Controle

Controle Auto-Operado





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