Aspectos do Projeto de um Sistema de Controle deProcessos

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Roteiro

1 Classificação das Variáveis em um Processo QuímicoClassificação das Variáveis de EntradaClassificação das Variáveis de SaídaVariáveis de Entrada e Saída de um Processo Químico

2 Projeto dos Elementos de um Sistema de ControleDefinir os Objetivos do ControleSeleção das MedidasSeleção das Variáveis ManipuladasSeleção da Configuração de ControleProjeto do Controlador

3 ExemplosJunção de Mistura SISOJunção de Mistura MIMO

4 Atividades Complementares

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Variáveis em um Processo Químico

Podem ser classificadas em:1 variáveis de entrada ("inputs")2 variáveis de saída ("outputs")

Tanque de Aquecimento com Agitação

1 variáveis de entrada: Fi1, Ti1, Fi2,Ti2, Fst , Tst ("inputs")

2 variáveis de saída: h, T ("outputs")

Estudo de CasoF i 1

T i 1

F T,T

F s t

Q h

C o n d e n s a d o

V a p o r

F i 2

T i 2

T s t

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Variáveis de Entrada

Podem ser classificadas em:1 variáveis manipuladas (ajustáveis)2 perturbações

Tanque de Aquecimento com Agitação

1 manipuladas: Fst , Fi22 perturbações: Fi1, Ti1, Ti2, Tst

Estudo de CasoF i 1

T i 1

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Variáveis de Saída

Podem ser classificadas em:1 variáveis de saída medidas

(mensuráveis)2 variáveis de saída não-medidas

(não-mensuráveis)Tanque de Aquecimento com Agitação

1 saídas medidas: h, T

Estudo de CasoF i 1

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Entradas e Saídas

P r o c e s s o

p e r t u r b a ç õ e s

m a n i p u l a d a s( m )

s a í d a s n ã o - m e d i d a s( z )

s a í d a sm e d i d a s

( y )

m e d i d a s ( d ) n ã o - m e d i d a s ( d ' )

Figura: Variáveis de processo

Tanque de Aquecimento com Agitação

T a n q u e d eA q u e c i m e n t o

F s t

Th

T i 2T i 1F i 1

F i 2

T s t

Estudo de CasoF i 1

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I. Definir os Objetivos do Controle

Respondaquais são os objetivos operacionais que um sistema de controle devesatisfazer?

Tanque de Aquecimento com Agitação

qualitativo: suprimir a influência deperturbações externasquantitativo: manter T = Ts e h = hs

Estudo de CasoF i 1

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II. Seleção das Medidas

Respondaquais variáveis podem ser medidas para monitorar o desempenhooperacional da planta?

sempre que possível medir diretamente as variáveis querepresentam os objetivos do controle (medidas primárias)se não, medir outras variáveis que possam ser relacionadas aosobjetivos do controle (medidas secundárias)se possível, medir diretamente as perturbações externas(controle antecipatório)

sempre que possível meça o maior número de variáveis

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II. Seleção das Medidascontinuação

Tanque de Aquecimento com Agitação

T → termoparh → célula de pressão diferencial

Estudo de CasoF i 1

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III. Seleção das Variáveis Manipuladas

Respondavazões são a maioria das variáveis manipuladas ou onde possocolocar uma válvula de controle?

Tanque de Aquecimento com Agitação

Fst , Fi2→ manipuladaspor que não Fi1, Fi2 ou Fi2, Ti2 ouTi1, Ti2 ou etc?

Estudo de CasoF i 1

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IV. Seleção da Configuração de Controle

Respondacomo conectar as medidas disponíveis com as variáveis manipuladasexistentes?

essa conecção ocorrerá por realimentação, será antecipatória,inferencial, em cascata, etc?dependendo do número de saídas controladas e entradasmanipuladas tem-se:

SISO: uma entrada, uma saída ("single input, single output")MIMO: múltiplas entradas, múltiplas saídas ("multiple inputs,multiple outputs")

a maioria dos processos químicos é MIMO!

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IV. Seleção da Configuração de Controlecontinuação

Tanque de Aquecimento com Agitação

parear (emparelhar) Fst → T eFi2→ h ambas por realimentaçãoparear (emparelhar) Fst → Ti1 porantecipação, Fst → T porrealimentação e Fi2→ h porrealimentação

qual é a melhor configuração?

Estudo de CasoF i 1

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V. Projeto do Controlador

Respondacomo a informação obtida das medidas é utilizada para ajustar osvalores das variáveis manipuladas?

LEI DE CONTROLE

a lei de controle é implementada automaticamente pelocontroladora lei de controle mais simples é aquela que varia mproporcionalmente ao erro entre o valor desejado da variávelcontrolada e seu valor medido, e = ysp − y :

m = ms + Kc(ysp − y)

este é o chamado Controle Proporcional e Kc é o GanhoProporcional

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V. Projeto do Controladorcontinuação

Tanque de Aquecimento com Agitação

1 objetivo: T = Tsobjetivo: h = hs

2 T → controlada (medida)h → controlada (medida)

3 Fst → manipuladaFi2→ manipuladaFi1, Ti1, Ti2, Tst → perturbações

4 realimentação: Fst → Trealimentação: Fi2→ h

5 Fst = Fsts + Kc1(Tsp − T )Fi2 = Fi2s + Kc2(hsp − h)

Estudo de CasoF i 1

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T i 2

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Realimentação × Antecipatório

ExemploDuas correntes de líquido com vazões F1 e F2 e temperaturas T1 e T2,respectivamente, convergem para uma junção de mistura. Deseja-secontrolar a temperatura T3 da corrente de líquido resultante. Água derefrigeração com vazão Fc pode ser circulada sobre a corrente 2 pormeio de uma serpentina. Utilizando um sensor, um controlador e umaválvula, monte um esquema de controle feedback e outro feedforward,especificando as variáveis de carga, controlada e manipulada.

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Realimentação × Antecipatório

Exemplo (continuação)F 1

F c

F 2

T 1

T 2

F 3 T 3

Figura: Junção de 02 correntes

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Realimentação × Antecipatório

SoluçãoClassificação das Variáveis do Sistema

variável controlada (saída medida):T3

variáveis de carga (perturbações):F1, T1, F2, T2

variável manipulada: Fc

F 1

F c

F 2

T 1

T 2

F 3 T 3

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Realimentação × Antecipatóriocontinuação

feedback (por realimentação)

F 1

F c

F 2

T 1

T 2

F 3 T 3

T T

T C

feedforward (antecipatório)

F 1

F c

F 2

T 1

T 2

F 3 T 3

T T

T C

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Realimentação × Antecipatório

ExemploDuas correntes de líquido com vazões F1 e F2 e temperaturas T1 e T2,respectivamente, convergem para uma junção de mistura. Deseja-se controlar avazão F3 e a temperatura T3 da corrente de líquido resultante.

a) identifique os objetivos de controle, as perturbações, as medidas disponíveis eas variáveis manipuladas. O sistema é SISO ou MIMO?

b) desenvolva um sistema de controle que use apenas controladores feedback.

c) desenvolva um sistema de controle que use apenas controladores feedforward.

d) desenvolva um sistema de controle que use ambos os controladores feedback efeedforward.

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Realimentação × Antecipatório

Exemplo (continuação)

F 1

F 2

T 1

T 2

F 3 T 3

Figura: Junção de 02 correntes

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Realimentação × Antecipatório

Soluçãoa) Classificação das Variáveis do Sistema

variáveis controladas (objetivos decontrole: saídas medidas): F3, T3manter F3 e T3 nos seus valores dereferência F3s e T3s

variáveis de carga (perturbações):T1, T2

variáveis manipuladas: F1, F2

F 1

F 2

T 1

T 2

F 3 T 3

O sistema é MIMO, pois possui múltiplas entradas e múltiplas saídas.

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Realimentação × Antecipatóriocontinuação

b-d) Configurações de Controlefeedback (por realimentação)

F 1

F 2

T 1

T 2

F 3

T 3T T

T C

F T

F C

feedforward (antecipatório)

F 1

F 2

T 1

T 2

F 3

T 3

T TF C

F TT C

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Realimentação × Antecipatóriocontinuação

feedback-feedforward (por realimentação-antecipatório)

F 1

F 2

T 1

T 2

F 3

T 3T T

T C

F T

F C

T T

T C

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Leitura I

Leitura Complementar

Próximas aulas:

apostila do Prof. Wua, capítulos 5, 6 e 7 (volume I).

livro do Stephanopoulosb, capítulos 5, 6 e 7.

livro do Marlinc , capítulo 3.

livro do Seborg et al.c , capítulo 2.

aKwong, W. H., Introdução ao Controle de Processos Químicos com MATLAB. Volumes I e II, EdUFSCar, São Carlos, Brasil, 2002.

bStephanopoulos, G., Chemical Process Control. An Introduction to Theory and Practice. Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA,1984.

cMarlin, T. E., Process Control. Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance. 2nd Edition, McGraw-Hill,New York, USA, 2000.

d Seborg, D. E., Edgar, T. F., Mellichamp, D. A., Doyle III, F. J., Process Dynamics and Control. 3rd Edition, John Wiley, New York,USA, 2011.

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Vídeos I

e-Lessons Prof. MarlinMathematical Modelling Principles - Part I. Modeling Method and Linear SystemsMathematical Modelling Principles - Part II. Linearized Models and NumericalMethod

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