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Universidade Federal do Rio de JaneiroUniversidade Federal do Rio de JaneiroEscola de QuímicaEscola de Química
EQE 487 EQE 487 -- CONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSOSCONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO DE PROCESSOS
MaurícioMaurício BezerraBezerra de Souza de Souza JúniorJúniorDEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICADEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICA
AbrilAbril de 2013de 2013
O controle de processos diz respeito à manutenção de
variáveis de processo (temperaturas, pressões, vazões,
composições etc) emalgumvalor de operação desejado.
Introdução ao Controle de ProcessosIntrodução ao Controle de Processos
A natureza dos processos industriais é dinâmica, o que torna
necessário umcontrole automático e contínuo de suas variáveis,
de modo que condições de projeto− relacionadas a segurança,
qualidade do produto e taxas de produção− sejamalcançadas.
Introdução ao Controle de ProcessosIntrodução ao Controle de Processos
Objetivos de controleObjetivos de controle
Separação de uma carga líquida, consistindo dos componentes A eB (Marlin, 2000).
Objetivos de controleObjetivos de controle
1. Segurança do pessoal –pressão máxima não pode serexcedida;
2. Proteção ambiental– material não pode ser descartado para aatmosfera;
3. Proteção do equipamento–a vazão através da bombaa vazão através da bombadeve ser maior ou igual aomínimo;
4. Operação suave– a cargadeveria ter pequenavariabilidade;
5. Qualidade do produto –valores desejáveis doproduto líquido.
Objetivos de controleObjetivos de controle
6. Eficiência e otimização– redução dos custos de troca de calor.
7. Monitoramento e diagnóstico – sensores, displays, variáveiscalculadas para informar ao operador sobre condições normais eanormais de operação.
Fonte: Marlin (2000)
Até os anos 1940 do século passado, a operação manual
demandava umnúmero muito grande de operadores.
Tanques grandes eramtambém empregados entre várias
unidades na planta, para amortecer perturbações.
Introdução ao Controle de ProcessosIntrodução ao Controle de Processos
TY
TT
TIC
A digitalização do controle ocorreu na década de 1970 como
advento dos computadores digitais. Atualmente, operadores,
controladores, indicadores, registradores e alarmes se encontram
na sala de controle, a partir da qual é possível monitorar e
controlartodoo processodocampo.
Introdução ao Controle de ProcessosIntrodução ao Controle de Processos
controlartodoo processodocampo.
“Cerca de 80 % do
tempo que se passa
numa planta é passado
na sala de controle” e “a
sala de controle é o
centro nervoso da
planta”.
Estratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de Controle
Controle por realimentação (feedback): a maneira
tradicional de controlar umprocesso é medir a variável
a ser controlada, comparar o seu valor como valor
desejado (o set-point do controlador) e alimentar a
diferença (o erro) emum controlador feedback que
modificará uma variável manipulada de modo a levar a
variável controlada ao valor desejado.
Estratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de Controle
Set-point CONTROLA-DOR FB
PROCES-
Perturbação
Var. manipu-
lada
Var.
controDOR FBPROCES-
SOlada controlada
Estratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de Controle
Controle feedforward: a perturbação é detectada
quando entra no processo e uma mudança apropriada é
feita na variável manipulada visando a manter a
variável controlada no set-point.
Estratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de ControleEstratégias de Controle
Set-pointCONTROLA-
DOR FF
Perturbação
DOR FF
PROCESSO
Var. manipulada
Var.
controlada
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
aquecedoraquecedoraquecedoraquecedor
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
aquecedoraquecedoraquecedoraquecedor
Apresentam-se a seguir as diversas fases na implementação de
um sistema de controle emuma fornalha pré-aquecedora de uma
refinaria de petróleo, ilustrada nas Figuras (Ogunnaike & Ray,
1994).
Os diagramas P&I (Processo & Instrumentação) para os
diversos sistemas sugeridos são tambémapresentados.
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
aquecedoraquecedoraquecedoraquecedor
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Reproduz-se o diálogo entre umengenheiro de processo (EP) e
um engenheiro de controle (EC). Os diagramas P&I (Processo
& Instrumentação) para os diversos sistemas sugeridos são
tambémapresentados.tambémapresentados.
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Fase 1EC: Quais são seus objetivos de operação?
EP: Nos gostaríamos de entregar óleo cru para a unidade de
fracionamentoa jusantea umatemperaturaalvo consistenteT*.fracionamentoa jusantea umatemperaturaalvo consistenteT .
0 valor deste set-point é usualmente determinado pelo tipo de
óleo cru e pelo rendimento desejado da refinaria. Portanto, muda
a cada 2-3 dias. Nós tambémtemos umlimite superior de
restrição (Tm) sobre o quanto a temperatura dos tubos do fomo
pode alcançar.
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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EC: Portanto, das suas duas saídas de processo, Fo e T, a
primeira é estabelecida externamente pelo fracionador, enquanto
a última é aquela que você esta preocupado emcontrolar?
EP: Sim.EP: Sim.
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EC: Seu objetivo de controle é portanto regular a saída do
processo T, assimcomo lidar com o problema servo de
mudanças de set-point a cada 2-3 dias?
EP: Sim.EP: Sim.
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EC: De suas variáveis de entrada, quais aquelas sobre as quais
você realmente temcontrole?
EP: Apenas a vazão de ar e a vazão de combustível e mesmo
assim nós usualmentepré-estabelecemosa vazão de ar eassim nós usualmentepré-estabelecemosa vazão de ar e
mudamos apenas a vazão de combustível quando necessário.
Nossa principal variável de controle é a razão ar- combustível.
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EC: As outras variáveis de entrada, a vazão de óleo cru, F, e a
temperatura de entrada, Tj, são portanto perturbações?
EP: Sim.
EC: Ha outras variáveis de processo de importância que eu deva
conhecer?
EP: Sim, a pressão de fornecimento de combustível, PF, e o calor
específico do combustível,λF; eles variamsignificativamente e
nós não temos qualquer controle sobre essas variações. Elas
tambémsão perturbações.
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EC: Que tipo de instrumentação você tempara aquisição de
dados e implementação da ação de controle?
EP: Nós temos termopares para medir T e Ti; medidores de
vazãoparamedir F, QF; e umaválvula de controlena linha devazãoparamedir F, QF; e umaválvula de controlena linha de
combustível. Nós temos umpirômetro óptico instalado para
monitorar a temperatura do tubo da fornalha. Umalarme é
acionado se a temperatura fica uns poucos graus próxima da
restrição do limite superior.
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Fase 2
EC: Você temum modelo de processo disponível para esta
fornalha?
EP: Não. Mas ha umoperador que entende do comportamento
do processo muito bem. Nós temos tentado operar o processo
sob controle manual usando este operador, mas os resultados
não foramaceitáveis. Este registro tirado de umregistrador de
temperatura é bastante representativo. Esta é a resposta para um
aumento degrau na vazão de entrada F.
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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EC: Você temuma idéia do que poderia ser responsável?
EP: Sim. Nós pensamos que tema ver com as limitações
humanas básicas; sua antecipação do efeito da perturbação na
alimentaçãoé engenhosa,mas imperfeita,e ele simplesmentealimentaçãoé engenhosa,mas imperfeita,e ele simplesmente
não consegue reagir rápido o bastante, ou acuradamente o
bastante, à influência dos efeitos de perturbação adicional na
pressão de fornecimento de combustível e conteúdo energético.
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EC: Então, vamos começar comum sistema feedback simples.
Vamos instalar umcontrolador de temperatura que usa medidas
da temperatura de saída da fornalha T para ajustar a vazão Qp.
Vamos usar umcontrolador PID com esses valores de
parâmetros para começar. Sinta-se livre para reajustar oparâmetros para começar. Sinta-se livre para reajustar o
controlador se necessário. Vamos discutir os resultados assim
que você estiver pronto.
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Fase 3
EP: 0 desempenho do sistema feedback, ainda que melhor que o
do controle manual, ainda não é aceitável; muita alimentação a
baixa temperaturaé mandadapara o fracionador duranteasbaixa temperaturaé mandadapara o fracionador duranteas
primeiras horas que se seguema cada aumento de F.
EC: 0 que é preciso e ummeio pelo qual nós possamos mudar a
vazão de combustível no instante que nos detectarmos uma
mudança na vazão de alimentação. Tente esta estratégia de
controle feedforward sozinha, primeiro; aumente-a como
feedback apenas se você achar necessário.
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Fase 4
EP: Coma estratégia feedforward sozinha, houve a vantagemde
rapidamente compensar o efeito da perturbação, pelo menos
inicialmente. 0 principal problemaeraa nãodisponibilidadedainicialmente. 0 principal problemaeraa nãodisponibilidadeda
medida da temperatura de saída do forno para o controlador.
Como resultado, nos tivemos offsets. Desde que nos não
podemos aceitar offsets persistentes, nos tivemos de ativar o
sistema de controle feedback. Como esperado a adição do
sistema de controle feedback retificou este problema.
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EP: Nós ainda temos umproblema grande: a temperatura de
saída da fornalha ainda flutua, algumas vezes de forma bastante
inaceitável, sempre que nós observamos variações na pressão de
chegada do combustível.
Adicionalmente, nós estamos certos que as variações noAdicionalmente, nós estamos certos que as variações no
conteúdo energético do combustível contribuempara essas
flutuações, mas nos não temos uma maneira fácil de monitorar
quantitativamente essas variações de conteúdo energético. Neste
ponto, no entanto, elas não parecemser tão significativas como
as variações na pressão de fornecimento.
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EC: Vamos focalizar no problema causado pelas variações na
pressão de fornecimento de combustível. É fácil de ver porque
isto deve ser umproblema. 0 controlador pode apenas ajustar a
válvula na linha de combustível; e embora nos esperemos que
posiçõesespecíficasdaválvuladevamcorrespondera vazõesdeposiçõesespecíficasdaválvuladevamcorrespondera vazõesde
combustível específicas, isso só será assimse a pressão de
chegada for constante. Quaisquer flutuações na pressão de
chegada significa que o controlador não vai obter a vazão de
combustível que ele solicita.
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EC: Nós devemos instalar uma malha adicional para assegurar
que o controlador de temperatura obtéma mudança de vazão
verdadeira que ele solicita; uma simples mudança na posição da
válvula não vai assegurar isso. Nós devemos instalar um
controladorde vazão entre o controladorde temperaturae acontroladorde vazão entre o controladorde temperaturae a
válvula de controle na linha de combustível. A tarefa deste
controlador interno será assegurar que a vazão de combustível
solicitada pela controlador de temperatura será realmente
entregue à fornalha, independetemente de variações na pressão
de fornecimento. A adição desse sistema de controle emcascata
devera funcionar bem. .
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Principais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentoPrincipais passos no desenvolvimentode um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controlede um sistema de controle
TerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologia
· Dinâmica: comportamento dependente do tempo de umprocesso.
· Estabilidade: um processo estável no sentido BIBO(“bounded input ; bounded outpo” ou “entrada limitada;(“bounded input ; bounded outpo” ou “entrada limitada;saída limitada”) é aquele que, para uma entrada limitada(por exemplo: um degrau), exibe uma saída limitada. Aocontrário, a saída de umprocesso INSTÁVEL, para umavariação limitada na sua entrada, torna-se cada vez maior,à medida que o tempo aumenta.
TerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologia
· Variáveis manipuladas: aquelas que se pode mudar demodo a controlar a planta.
· Variáveis controladas: aquelas que se tenta manter tãoconstantequanto possívelou fazer seguir uma trajetória noconstantequanto possívelou fazer seguir uma trajetória notempo.
· Set-point: valor desejado da variável controlada.
TerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologia
· Variáveis não controladas:variáveis do processo que nãosão controladas.
· Variáveis de perturbação ou distúrbios (ou cargas):entradas do processoque não podem ser manipuladas. Sãoentradas do processoque não podem ser manipuladas. Sãodefinidas por outras partes da planta. O sistema de controledeve ser capaz de manter a planta sob controle apesar dosefeitos destas perturbações.
TerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologiaTerminologia
· Controle regulador: situação emque se tenta compensaro efeito das perturbações na variável controlada, comset-point mantido constante.
· Controle servo: o set-point é modificado em função do· Controle servo: o set-point é modificado em função dotempo e a variável controlada deve seguir o set-point.
Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das
Atividades de Atividades de Atividades de Atividades de
Controle de Controle de Controle de Controle de
Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das Hierarquia das
Atividades de Atividades de Atividades de Atividades de
Controle de Controle de Controle de Controle de
4. Real-Time Optimization
5. Planning and Scheduling
3b. Multivariable and Constraint Control
(days-months )
(minutes-hours )
(hours-days )
Controle de Controle de Controle de Controle de
ProcessosProcessosProcessosProcessos
Controle de Controle de Controle de Controle de
ProcessosProcessosProcessosProcessos
1. Measurement and Actuation
2. Safety, Environment and Equipment Protection
3a. Regulatory Control
Process
(< 1 second )
(< 1 second )
(seconds-minutes )
Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos
mais complicadosmais complicadosmais complicadosmais complicados
Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos
mais complicadosmais complicadosmais complicadosmais complicados
1. Abordagem tradicional:estratégia e hardware
selecionados combase no
conhecimento do processo,
experiência e “ insight”.
Depois que o sistema de
controle é instalado na
planta, procede-se à sua
“sintonia”.
Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos
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Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos
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2. Abordagem baseada emmodelo: modelo dinâmico
do processo é desenvolvido
para: (i) projetar o
controlador; (ii) incorporar
diretamente na lei de
controle; (iii) usar em
simulação de controle.
Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos Projeto de Sistemas de Controle para Processos
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Implementação no MATLAB/SIMULINK
Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Exemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno préExemplo: controle de um forno pré----
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Admitindo que se pretende controlar a temperatura de saída do
tanque, discuta as estratégias de controle possíveis.
Resposta em Malha FechadaResposta em Malha Fechada
Processo: y(s) = Gp(s) m(s) + Gd(s) d(s) (1)
Dispositivo de medida: ym(s) = Gm(s) y(s) (2)
Mecanismo de controle: E(s)= Km ySP(s) - ym(s) (3)Mecanismo de controle: E(s)= Km ySP(s) - ym(s) (3)
c(s) = GI/P Gc E(s) (4)
Elemento final de controle: m(s) = Gf(s) c(s) (5)
Resposta em Malha FechadaResposta em Malha Fechada
)(1
)(1
)(//
/ sdGfGmGpGcG
Gdsy
GfGmGpGcG
KmGpGfGcGsy
PISP
PI
PI
++
+=
)(/ syGcKmGpGfG
Gsp PI=Problema
)(1 /
/ syGfGmGpGcG
GcKmGpGfGGsp SP
PI
PI
+=
)(1
arg/
sdGfGmGpGcG
GdaGc
PI+= Problema
regulador
Problema servo
Controle Feedback Controle Feedback
Ementa
Introdução ao controle de processos e à instrumentaçãoindustrial. Sistemas de controle de realimentação. Representaçãoemdiagrama de blocos. Instrumentação industrial emmalhas decontrole. Sensorese transmissoresdesinais. Elementosfinais decontrole. Sensorese transmissoresdesinais. Elementosfinais deatuação. Controladores PIDs. Estabilidade de malhas decontrole. Métodos de ajuste de controladores. Métodos desíntese direta. Sistemas de controle feed-forward. Sistemas emcascata. Aplicações emprocessos controlados. Controlemultivariável.
Controle Feedback Controle Feedback
Referências Bibliográficas
1. Introdução a Modelageme Dinâmica para Controle deProcessos. Maurício B. de Souza Jr., Publit, 2013.
2. Process Dynamics, Modeling and Control. Ogunnaike e Ray.OxfordUniversityPress,1994.OxfordUniversityPress,1994.
3. Process Dynamics and Control. Dale E. Seborg, Thomas F.Edgar, Duncan A. Mellichamp and F. Doyle. Wiley Series inChemical Engineering, 3ed., 2011.
4. Chemical Process Control, An Introduction to Theory andPractice. George Stephanopoulos. Prentice-Hall, 1984.
Controle Feedback Controle Feedback
Referências Bibliográficas
5. Process SystemAnalyis and Control. Coughanowr. 2nd Ed.McGraw-Hill International Editions, 1991.
6. Processs Modeling, Simulation and Control for ChemicalEngineers. W. L. Luyben. 2ndEd. McGraw-Hill, 1990.Engineers. W. L. Luyben. 2ndEd. McGraw-Hill, 1990.
7. Dinâmica, Controle e Instrumentação de Processos. BelkisValdman, Rossana Folly e Andréa Salgado, Editora UFRJ, 2008.
8. 100 Problemas de Controle. Maurício B. de Souza Jr.Imprensa Universitária da UFRRJ, 1994.
9. Process Dynamics. Modeling, Analysis, and Simulation. B.W. Bequette. Prentice-Hall, 1998.
Controle Feedback Controle Feedback Referências Bibliográficas
10. Process Control: Modeling, Design, and Simulation, B. W.Bequette, Prentice-Hall, 2003.
11. Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais,Mário Campos e Herbert Teixeira, Edgard Blücher, 2006.
12. Princípios e Prática do Controle Automático de Processo.Carlos A. Smith and Armando B. Corripio, 3a Edição, LTC,2008.
13. Process Control: Designing Processes and Control Systemsfor Dynamic Performance, Thomas E Marlin, 2nd Ed,McGrawHill, 2000.
14. Engenharia de Controle Moderno, K. Ogata, 4a Ed., PrenticeHall, 2007.
MaurícioMaurício BezerraBezerrade Souza de Souza JúniorJúnior
DEPARTAMENTO DE ENG. DEPARTAMENTO DE ENG. QUÍMICAQUÍMICA
[email protected]@[email protected]@eq.ufrj.br
SalaSalaE E ––209209
RamalRamal 76317631
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