SINTONIA DE CONTROLADORES REGULATÓRIOS

Profa. Mariana Cavalca

Baseado em:

SPANDRI, R. SINTONIA DE CONTROLADORES REGULATÓRIOS, Boletim Técnico. Disponível em:

http://www.eq.ufrj.br/links/h2cin/eqe487/suplementar/Sintonia_PETROBRAS.pdf. Acesso em:

20/06/2012.

HEMERLY, Elder M. Controle por Computador de Sistemas Dinâmicos. Edgard Blücher, 2000. 2 ed.

Resumo (retirado do boletim)

“Este trabalho é uma revisão sobre sintonia de controladores do tipo PID. O assunto é cada vez mais importante para engenheiros envolvidos com operação, principalmente após a implantação de controladores preditivos e multivariáveis (controle avançado) nas plantas químicas. Trata-se de um texto introdutório, que pretende ser fator motivador para um futuro estudo mais aprofundado. As publicações sobre o assunto são numerosas e aparecem rotineiramente na literatura de Engenharia. Abordam-se alguns métodos de sintonia tradicionais como os que se baseiam no estudo das oscilações permanentes do sistema em malha fechada, os métodos baseados na curva de resposta do processo em malha aberta e os métodos fundamentados em desempenho ótimo em malha fechada. Conclui-se com considerações sobre o valor da experiência prática (heurística) como guia para sintonia de controladores.”

Introdução

• “As leis mais complexas normalmente regem tarefas de uma natureza mais ligada à otimização e supervisão. Para tarefas regulatórias mais simples, ainda continua sendo programada nos computadores a antiga e útil lei PID. Esse é o caso dos controladores que regulam vazões, temperaturas e pressões.”

• “A configuração final é a de um esquema hierarquizado de controladores, com o controle avançado otimizando o processo através de atuação sobre uma série de controladores regulatórios do tipo PID. Tudo é muito semelhante a um sistema em cascata: o controle avançado é mestre de diversos controladores PID, que dele recebem periodicamente novos set-points (valores desejados).”

Função de Transferência

Função de Transferência

• Dados reais:

Métodos Empíricos (Livro do Prof. Elder Hemerly) –

Ziegler -Nichols

Métodos Empíricos (Livro do Prof. Elder Hemerly) –

Ziegler -Nichols

Métodos Empíricos (Livro do Prof. Elder Hemerly) –

Ziegler -Nichols

Métodos baseados em desempenho ótimo

• Ajustar o controlador PID de maneira a minimizar uma

função de custo.

Métodos baseados em desempenho ótimo

• Como eu posso definir a função de custo (ou objetivo)?

• Minimizar a diferença entre a saída real e uma saída de referência;

• Minimizar o erro de rastreamento e o esforço de controle;

• Minimizar o tempo de acomodação;

• Minimizar o desgaste do atuador;

• Dentre outros.

Métodos baseados em desempenho ótimo

• Minimizar o erro de rastreamento:

Métodos baseados em desempenho ótimo

• Minimizar o erro de rastreamento:

Métodos baseados em desempenho ótimo

• “À primeira vista, esta classe de métodos é muito atraente e, de fato, eles são métodos criteriosos, cuja investigação vale a pena. Entretanto, cabe refletir sobre duas observações importantes:”

1. “O erro acumulado ao longo do tempo inclui parcelas de erros, por assim dizer, mais inevitáveis que outros, bem como parcelas de erros mais críticos que outros. Constatações desse tipo podem ser levadas em conta através de uma função ponderal que estabeleça pesos para uma soma ponderada dos erros acumulados ao longo do tempo: erros iniciais podem ser menos ponderados (maior irrelevância de erros mais inevitáveis) e erros posteriores podem ser mais ponderados (maior criticidade de erros mais corrigíveis).

• Uma proposta comum é escolher o próprio tempo como função ponderal (tempos menores, pesos menores e vice-versa), o que é conhecido como método de integral (soma acumulada) do valor quadrático dos erros instantâneos ponderados pelo tempo (ITSE – integral of time-weighted squared errors).”

Métodos baseados em desempenho ótimo

2. “O erro que é acumulado refere-se ao valor de variável de processo em relação a um valor desejado. O caso analisado é o de alteração deliberada do valor desejado, ou seja, o caso em que se deseja promover uma migração do ponto operacional do processo (caso servo-mecanismo, alteração de set-point). Entretanto, o caso mais comum é o de controladores atuando para manter o sistema em um ponto operacional definido, rejeitando perturbações aleatórias a que o processo está sujeito (caso regulatório, set-points constantes). Esse tipo de atuação é aquela a que o controlador está mais sujeito o tempo todo.

• Neste caso, o critério de erro da otimização fica dependendo da forma escolhida para a perturbação, perturbação que, na prática diária, é extremamente aleatória em forma e intensidade. A escolha de uma perturbação típica é também bastante particular para o processo e subjetiva do engenheiro.”

Ajuste “Heurístico”

“Algumas regras práticas já se tornaram clássicas:

• sempre que possível, usar controlador apenas proporcional;

• sempre que possível, usar valores baixos para ação integral (elevado reset-time);

• evitar o uso da ação derivativa. No caso de processos químicos, a ação derivativa fica restrita quase que somente a poucos casos de controle de temperatura, uma vez que essa variável apresenta normalmente dinâmica lenta. Assim mesmo, a ação derivativa é usada com extrema parcimônia e com forte filtro na variável controlada. Na prática industrial, as malhas de controle com ação derivativa dificilmente ultrapassam 5% do total de malhas da unidade;

• em controle de nível, procurar usar apenas ação proporcional e, quando possível, com banda morta. Esse talvez seja o caso mais comum de sintonia inadequada que se encontra nas plantas químicas. Ainda é muito comum o uso de um controle exagerado de nível, ou seja, manipular excessivamente vazão de retirada de líquido do fundo de equipamentos (torres, principalmente) para manter o nível de líquido no fundo excessivamente estável. Isso pode ser um problema porque, normalmente, o líquido retirado é carga de outro equipamento a jusante. Nesses casos, controle de nível muito rigoroso em uma parte do processo implica em variação excessiva da carga do outro equipamento, cujo controle fica difícil. Em muitos casos, off-set ou ações muito lentas em controle de nível não representam grande problema de fato, e a agressividade do controlador de nível é fruto de uma cultura imprópria de operação da planta;

• em controle de vazão, não usar ação derivativa e usar ação integral atenuada.”

Considerações Finais

• “Um item importante que ainda hoje é fortemente dependente

de regras práticas de sintonia é o de controle robusto. Como já

se comentou, tempos de residência e ganhos (sensibilidade)

do processo variam fortemente e os controladores requerem

re-sintonia com certa frequência. Uma forma de atenuar esse

retrabalho é a de encontrar uma solução aproximadamente de

compromisso para os ajustes do controlador, ou seja,

sintonizá-lo para atender de maneira minimamente satisfatória

a uma grande faixa de condições operacionais. As tentativas

teóricas para solução desse problema são um esforço em

andamento (e bastante, por assim dizer, complexas) e a

realidade atual ainda é a da prática de regras particulares, aso

a caso, para atender a essa necessidade.”

“Sintonizar controladores é uma arte”

SPANDRI

SINTONIA DE CONTROLADORES REGULATÓRIOS

Profa. Mariana Cavalca

Bom estudo!