29/1/2012

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INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE

Controle automático de processo

Professor Miguel Neto

Processos industriais

• Processos Contínuos: são aqueles quepossuem saídas contínuas como, por exemplo,processos de geração de energia.

• Processos Discretos ou Manufaturas: sãoaqueles que possuem produtos enumeráveis,como na produção de autopeças.

• Processos por batelada: são os que possuemcaracterística de ambos os modelos,

Esteira separadora de caixas

Sistema de controle de nível

Pirâmide da automação

Nível de campo Nível de controle

Controlador PID

CLP

Micro-controladores

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Nível de supervisão

Níveis da automação

• Nível de Campo - constituído pelos elementos a controlar e pelos elementos de detecção;

• Nível de Controle - É o nível onde se encontram os elementos que vão controlar o processo;

• Nível de Supervisão - É composto pelos programas de interface homem-máquina e aquisição de dados (este nível não deve interferir diretamente no funcionamento do processo).

Sistema de controle

• Definição: É uma série de unidadescombinadas para produzirem um determinadoresultado com pouca ou nenhuma supervisãohumana.

• Classificação:

– Abertos: a saída do processo não exerce nenhum efeito sobre a entrada do processo

– Fechado:a energia de entrada no sistema é de alguma forma uma função da própria saída.

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Termos importantes

• Variável controlada;

• Variável manipulada;

• Set-point (SP);

• Variável de processo (PV);

• Desvio (erro): e = PV-SP;

• Elemento primário de medição;

• Elemento controlador;

• Elemento final de controle.

Partes de um sistema de controle1. Processo;

2. Elemento primário (sensor);

3. Transmissor;

4. Controlador;

5. Elemento final de controle.

Principais problemas para o controle de processos

O maior problema no controle de processos são os atrasos. Podem ser:

a) Atrasos no processo (capacitivo)

a) Atrasos na medição (resistivo) - tempo morto

a) Atrasos na transmissão

Atrasos no processo (capacitivo)São atrasos proporcionados pela incapacidadedo processo em absorver ou devolver energia demodo instantâneo.

Ex: Uma variação brusca da vazão de entrada(gera variação em degrau), proporciona umasaída exponencial.

Atraso na medição (resistivo)

• Tempo morto – tempo decorrido desde avariação da energia do sistema até a detecçãodessa energia pelo sensor.

Tempo morto – Fatores determinantes

A velocidade de detecção do sinal depende:

• Do tipo de sensor;

• Do tipo de variável;

• Da localização do sensor.

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Tempo morto – Análise das variáveis

• Vazão: Dinâmica muito rápida, sendopequeno o tempo morto.

• Pressão e nível: Como a vazão são tambémvariáveis de rápida detecção.

• Temperatura: Se o sensor for introduzidodiretamente no processo, o sinal érelativamente rápido, porém com o uso dopoço de proteção essa detecção se tornalenta.

Atraso na transmissão

São os atrasos proporcionados na transmissãodos valores das variáveis medidas, próprios dossistemas de transmissão pneumáticos.

Resumo dos três tipos de atrasos

• O sistema de controle abaixo ilustra os trêstipos de atrasos que podem ocorrer noprocesso automático

Exercício1°) Com base no que foi visto em sala de aula responda:

a) Quais os tipos de processos industriais? Defina cada tipo.

b) Cite os três níveis hierárquicos da automação e explique asua função no processo automático.

c) Cite 3 equipamentos (dispositivos) que podem serutilizados no nível de controle.

d) Cite pelo menos 5 tipos de sensores e 3 tipos de atuadores.

e) Represente um sistema de controle em malha fechada pordiagrama de blocos.

f) Qual os tipos de atrasos de processos? Explique cada tipo.

Ação do controlador

• Direta – Dizemos que um controlador está funcionando na açãodireta quando um aumento na variável do processo em relação aovalor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo.(e = PV – SP)

• Inversa (reversa) – Dizemos que um controlador está funcionandona “ação reversa” quando um aumento na variável do processo emrelação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saídado mesmo. (e = SP – PV)

Formas de controle do processo

1 – Manual: Com intervenção humana.

2 – Automático: Com um mínimo de intervençãohumana ou nenhuma.

a) por realimentação (feedback)

b) por antecipação (feedforward)

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Controle por realimentação ou feedback

• O controlador responde aos efeitos de umdistúrbio, ou seja, o controlador atuatomando ação corretiva, quando o erro fordetectado.

Controle por antecipação ou feedforward

• O controlador responde diretamente aosdistúrbios, proporcionando um controleantecipado.

Exercício1°) Com base no que foi visto em sala de aula responda:

a) Quais os tipos de ações do controlador? Defina cada tipo.

b) Defina o controle automático por realimentação(feedback).

c) Defina o controle automático por antecipação(feedforward).

d) Com base no trecho do diagrama de blocos, indique a açãodo controlador.

Modelos de malhas de controle

• Controle em cascata;

• Controle de razão;

• Controle seletivo;

• Controle em faixa divida (split-range)

Controle em cascataÉ aplicada quando os efeitos dos distúrbios sobre a variávelmanipulada afetam a variável controlada.

Controle em cascata

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Controle de razãoÉ aplicado quando se deseja fazer ajuste de vazõesmantendo uma certa razão entre substâncias diferentes.(R=A/B)

Controle seletivo

Utilizado para dar prioridade no controle de uma determinadavariável manipulada por meio de seletores de sinal. (aumentando asegurança do processo).

Controle em faixa dividida (split-range)

Envolve normalmente duas válvulas de controle operadas pelo mesmo controlador.Geralmente: Válvula 1�Fecha com sinal de 0 a 50%;Válvula 2�Abre com sinal de 50 a 100%.

Ação de controle em processos contínuos

a) Liga-desliga (on-off)

b) Auto-operado

c) Proporcional (P)

d) Proporcional-integral (PI)

e) Proporcional-derivativo (PD)

f) Proporcional-integral-derivatico (PID)

Auto-operado

• O controlador utiliza opróprio fluido do processopara operar o processo.

Liga-desliga (on-off)

• Quando a variável passa pelo ponto de ajuste o controlador muda sua saída de ligado para desligado.

• Prevalência de oscilações e erro por off-set no sistema.

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Controle proporcional• Fornece uma saída proporcional ao erro.

Controle proporcional

• Faixa ou Banda proporcional (FP ou BP): É o errorequerido, da variável do processo para movimentar a válvulade controle desde totalmente aberta até totalmente fechada.

• Ganho proporcional (KC ou KP): É a sensibilidade docontrolador.

Relação entre FP e Kp• “Quanto menor a faixa proporcional, maior

será o movimento da válvula em relação ao

mesmo desvio e, portanto, mais eficiente será

a ação proporcional”.

Ação proporcional

Controle proporcional – (off-set)

• Aumentando o ganho proporcional (KC) o erro diminui e osistema responde de forma mais rápida, porém aumentam asoscilações e o tempo para estabilização da variável.

Controle proporcional-integral (PI)

• A ação integral elimina o off-set que existiria se ocontrole fosse só proporcional;

• A saída do controlador integral aumenta enquantoexistir erro, até atingir o valor máximo de saída;

• Quanto mais tempo o erro perdurar, maior será a saídado controlador;

• Se o erro for maior, a resposta do controlador será maisrápida, ou seja, a reta de saída do controlador será maisinclinada;

• Ti = tempo necessário para que uma repetição do efeitoproporcional seja obtido, sendo expresso em minutopor repetição.

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Controle proporcional-integral (PI)

• A velocidade de correção é proporcional ao erro. Essa ação elimina o erro (off-set) da ação proporcional.

MV=sinal de saída do controlador;

DV=Desvio

Ti=tempo integral (min)

Kp=ganho proporcional

Ki=1/Ti=Ganho integral

(Ki é dado em repetições por minuto).

So=saída do controlador quando o erro é zero (Bias)

T=tempo para o qual se deseja saber a saída MV

Controle proporcional-integral (PI)

• Quando o valor de ti é grande, a aproximação da variável em relação ao ponto de ajuste é lenta.

• Quando o valor de ti é pequeno, a variável oscila e demora para estabilizar.

Controle proporcional-derivativo (PD)

• O controle derivativo antecipa o erro atuante e inicia umaação corretiva mais cedo, tendendo a aumentar a estabilidadedo sistema;

• Uma vantagem em usar ação de controle derivativa é que elaresponde à taxa de variação do erro atuante e pode produziruma correção significativa antes de o valor do erro atuantetornar-se demasiadamente grande;

• Devido ao fato do controle derivativo operar sobre a taxa devariação do erro atuante e não sobre o próprio erro atuante,este modo nunca é usado sozinho. É sempre utilizado emcombinação com ação proporcional ou ação proporcional-mais-integral.

Controle proporcional-derivativo (PD)

• Td é o tempo derivativo, que é o tempo em minutos, pelo quala ação derivativa adianta o efeito da ação proporcional sobreo elemento final de controle. É indicado a sua utilizado parasistemas com atrasos grandes.

Kd=Td=Ganho derivativo (minutos)

Td=tempo devirativo

DE/dt=taxa de variação do erro

Controle proporcional-derivativo (PD)

Controle proporcional-integral-derivativo (PID)

• Corresponde às três ações de controle atuando juntas.

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EXEMPLO de Configuração dos parâmetros do controlador PID

Sintonia dos controladores

• MÉTODO DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS OUTENTATIVA E ERRO;

• MÉTODOS QUE NECESSITAM DE IDENTIFICAÇÃO DOPROCESSO;

• MÉTODO DE ZIEGLER E NICHOLS EM MALHAFECHADA

• MÉTODOS DE AUTO-SINTONIA