CONTROLE CONTROLE AVANÇADOAVANÇADO
Prof. André Laurindo MaitelliProf. André Laurindo Maitelli
DCA-UFRN
CONTROLE DE CONTROLE DE PROCESSOS PROCESSOS
INDUSTRIAISINDUSTRIAIS
Controle de Processos Controle de Processos IndustriaisIndustriais
ProcessoControlador
SensorTransdutor
Elemento finalde controle
Transmissor
SetPoint
Variável deProcesso
SP
PVMV
VariávelManipulada
temperatura
pressão
nívelvazão
tensão mecânicadeslocamentotensão elétrica
impedância
elétricapneumáticahidráulica
Controle de Processos Controle de Processos IndustriaisIndustriais
Controle de ProcessosControle de Processos
Processos IndustriaisProcessos Industriais
• Sensor, Transmissor, Válvula de Controle: ccampoampo (junto ao processo);
• Controlador: sala de controlesala de controle ou campo;campo;
• Equipamentos de controle: analógicos ou digitais;
• Sistemas analógicos: sinais de ar pressurizado (3 a 15 psi3 a 15 psi) ou sinais de corrente/tensão (4-20 mA, 0-10 Vdc4-20 mA, 0-10 Vdc).
Controlador IndustrialControlador Industrial
• Modos de Operação: Manual ou Manual ou Automático;Automático;
• Ações de Controle: Direta ou ReversaDireta ou Reversa– A escolha da ação de controle depende da ação
da MV sobre a PV no processo, da ação da válvula e do sensor.
Características de um Características de um Controlador IndustrialControlador Industrial
• Indicar o valor da Variável de Processo (PV);• Indicar o valor da saída do controlador, a Variável
Manipulada (MV);• Indicar o Set Point (SP);• Ter um chave para selecionar entre modo manual
ou automático;• Ter uma forma de alterar o valor do SetPoint
quando o controlador está em automático;• Ter uma forma de alterar MV quando o
controlador está em manual;• Ter um modo de seleção entre ações direta e
reversa do controlador.
CONTROLE CONTROLE “FEEDFORWARD”“FEEDFORWARD”
O que é ?O que é ?
• Controle feedforward usa o conhecimento das perturbações para agir sobre o sistema antes que as mesmas afetem o erro;
• Desvantagens:– necessidade de medição das perturbações– Necessidade do conhecimento do modelo do
processo e da perturbação
Controle Controle FeedforwardFeedforward
)s(N)s(G)s(E)s(G)s(G)s(Y nc
Gc(s) G(s)
Gn(s)
+
-
++ Y(s)R(s) E(s)
N(s)
)s(Y)s(R)s(E
)s(N)s(G)s(Y)s(R)s(G)s(G)s(Y nc
)s(N)s(G)s(R)s(G)s(G)s(G)s(G1)s(Y ncc
Controle ConvencionalControle Convencional
)s(N)s(G)s(G1
)s(G)s(R
)s(G)s(G1)s(G)s(G
)s(Yc
n
c
c
Influência da entrada Influência das perturbações
• Se as perturbações são mensuráveis, o controle feedforward é um método útil para cancelar os seus efeitos na saída do processo.
Controle ConvencionalControle Convencional
Gc(s) G(s)
Gn(s)
+
-
++ Y(s)R(s) E(s)
N(s)Gff(s)
+
saída
perturbaçãocontroladorfeedforward
)s(N)s(G)s(G)s(G)s(N)s(G)s(Y)s(R)s(G)s(G)s(Y cffnc
)s(N)s(G)s(G)s(G)s(G)s(Y)s(R)s(G)s(G)s(Y cffnc
Controle Controle FeedforwardFeedforward
0)s(G)s(G)s(G)s(G cffn
)s(G)s(G
)s(G)s(G
c
nff
• A vantagem deste tipo de controle é que a ação corretiva ocorre antecipadamente, ao contrário do controle por realimentação, em que a ação corretiva acontece somente depois da saída ser afetada.
Controle Controle FeedforwardFeedforward
• Sistema de controle de temperatura
ExemploExemplo
ExemploExemplo• Perturbação:
– mudança vazão de saída da torre (depende do nível da torre);
– seu efeito não pode sentido imediatamente, devido aos atrasos envolvidos no sistema;
– um controlador convencional agirá somente quando houve um erro;
– um controlador feedforward que receberá a também a informação da vazão, poderá agir mais cedo sobre a válvula de vapor.
ExemploExemplo
CONTROLE EM CONTROLE EM CASCATACASCATA
O que é ?O que é ?
• É um método simples, envolvendo dois controladores por realimentação em cascata;
• O controle em cascata é definido como a configuração onde o sinal de saída de um controlador é o Set-PointSet-Point gerado pelo outro controlador.
Gc1(s)+
-
+Gc2(s) G2(s) G1(s)
-
R1(s) R2(s) Y2(s) Y1(s)laço secundário
laço primário
Controle em CascataControle em Cascata
Controle em CascataControle em Cascata
(s)G)s(G)s(G)s(G(s)(s)GG1
(s)G)s(G)s(G)s(G
)s(R
)s(Y
c21c212c2
c21c21
1
1
)]s(G)s(G1[(s)(s)GG
(s)G)s(G)s(G)s(G
)s(R
)s(Y
11c2c2
c21c21
1
1
Gc1(s)+
-
G1(s)
R1(s) R2(s) Y2(s) Y1(s)
(s)(s)GG1
(s)(s)GG
2c2
2c2
Equação característica:
0)s(G)s(G1
)s(G)s(G)s(G)s(G1
22c
22c11c
primário secundário
Controle Convencional – exemploControle Convencional – exemplo
LC+
-G(s)
SP H
Controle em Cascata - exemploControle em Cascata - exemplo
LC+
-
+ FC G1(s) G2(s)-
SP2 Q Hmalha de vazão
malha de nível
SP1
Controle em Cascata - exemploControle em Cascata - exemplo
Considerando:
11c K)s(G
22c K)s(G 1s
1)s(G 1c
2s
1)s(G 2c
Controle convencional:
21KK)2s)(1s(
1
-
+
LGR
Controle em Cascata - exemploControle em Cascata - exemplo
Controle em cascata:
-
+1K 2K
1s
1
2s
1
+-
laço secundário
laço primário
LGR-primário
-2 2K1 2K1
LGR-secundário
COMPENSAÇÃO DO COMPENSAÇÃO DO TEMPO MORTOTEMPO MORTO
• É o atraso entre a variação do sinal de controle (MV) e o início da variação da saída (PV).
• Exemplos:
– Transporte de fluidos em linhas longas;
– Variável controlada medida por analisador de linha;
– Elemento final de controle lento;
• Um controlador convencional não funciona bem com tempo morto, pois a ação de controle demora um certo tempo para ser detectada.
Tempo mortoTempo morto
tempo morto se)s(G
Compensação do tempo mortoCompensação do tempo morto
• Considerando:
Gc1(s) e-sτ G(s)+
-
R(s) Y(s)
• A FT de malha fechada é::
)s(Ge)s(G1
)s(Ge)s(G
)s(R
)s(Ys
1c
s1c
(I)
Compensação do tempo mortoCompensação do tempo morto
• Idéia: deslocar o tempo morto para fora da malha de controle
s
c
c e)s(G)s(G1
)s(G)s(G
)s(R
)s(Y(II)
Gc(s) G(s)+
-
R(s)e-sτ
Y(s)
• Para isto, projetaremos um controlador a fim de que a FT de malha fechada seja:
Compensação do tempo mortoCompensação do tempo morto
Gc(s) G(s)+
-
R(s)e-sτ
Y(s)
(1-e-sτ)G(s)
+
-
Gc1(s)
• Igualando as equações (I) e (II) temos:
s1c
1cc e)s(G)s(G)s(G1
)s(G)s(G
Compensação do tempo mortoCompensação do tempo morto
• O controlador Gc(s) é projetado de forma usual;• O controlador de Smith realimenta a saída sem o
atraso (não pode ser obtida na prática);• O controlador modifica a variável controlada da
seguinte forma:– Quando o controlador enviar uma ação de
controle ao processo, o controlador imediatamente responde pelo processo para que a resposta seja isenta do tempo morto;
– Após o tempo morto, à medida que o processo começar a responder, o controlador vai retirando a sua ação de acordo com a dinâmica do processo.
CONTROLE CONTROLE “OVERRIDE”“OVERRIDE”
Controle “Controle “Override”Override”
• Também chamado de controle seletivo;
• É uma forma de controle multivariável em que uma única variável manipulada (MV) pode ser ajustada usando-se várias variáveis controladas (PV), uma de cada vez;
• Escolhe-se a variável principal que estará na maior parte do tempo atuando na variável manipulada, sendo as outras apenas variáveis de restrição.
Coluna de Destilação - exemploColuna de Destilação - exemplo
Coluna de Destilação - exemploColuna de Destilação - exemplo
• Deve-se controlar a vazão de vapor para o refervedor (trocador de calor para aquecimento) de fundo de uma coluna de destilação, atuando na única válvula do sistema;
• Entretanto, o nível deste refervedor não pode ser menor que um valor para não perder o selo de líquido;
• Solução: controle override.
VantagensVantagens
• Quando não existem graus de liberdade suficientes no processo, pode-se controlar preferencialmente uma variável até que uma outra atinja o seu limite operacional;
• Forma simples de respeitar as restrições do processo e evitar que o sistema de segurança atue parando a planta.
Cuidados na implementaçãoCuidados na implementação
• Prever proteção contra saturação do sinal de saída dos controladores que não estiverem sendo selecionados para atuar no elemento final de controle;
• Implementar uma estratégia de rastreamento dinâmico forçando a saída dos controladores que não estão controlando a válvula a seguir a posição atual da válvula (saída do seletor).
Controle Controle Override Override – Exemplo 2– Exemplo 2
• Quando a pressão do gás de saída do compressor ultrapassa um valor pré-ajustado, o controle passa a ser exercido pela malha de pressão, ao invés da malha de fluxo, através da chave HSS ativada por valores altos.
• Controle overrideoverride para proteção de um compressor
Controle Controle OverrideOverride – Exemplo 3 – Exemplo 3
• Inicialmente o controle busca manter a pressão na linha de vapor. Quando o nível se torna muito baixo, o controle passa a ser exercido pela malha de nível.
• Controle overrideoverride para proteção de geradores de vapor
CONTROLE CONTROLE “SPLIT RANGE”“SPLIT RANGE”
Controle “Controle “Split Range”Split Range”
• Em certas aplicações, uma única malha de controle de fluxo pode ser suficiente para garantir um bom desempenho do sistema em uma grande faixa de operação;
• Controle de fluxo do tipo Split RangeSplit Range usa dois controladores (um com uma válvula de controle pequena e o outro com uma válvula de controle grande), ambos em paralelo;
• Para fluxos pequenos, a válvula grande é fechada e a válvula pequena garante um controle de fluxo de boa qualidade;
• Para grandes fluxos, ambas as válvulas estão abertas.
ExemploExemplo
• Controle de pressão em split-rangesplit-range:
ExemploExemplo
• Se a pressão começar a subir, o controlador deve primeiro fechar toda a válvula que admite gás e em seguida abrir a válvula de alívio;
• Assim, supondo o controlador em ação direta, entre 0 e 50% na saída do PID, a válvula que admite gás vai da posição toda aberta para a posição toda fechada;
• Na faixa entre 50 e 100% na saída do PID, a válvula que alivia gás vai da posição fechada para a posição toda aberta.
Controle Controle Split Range – Exemplo 2Split Range – Exemplo 2
FT
FT
FC
FC
Total Flow Rate
Sig
nal t
o C
ontr
ol V
alve
(%
)
Larger ControlValve
Smaller ControlValve
Controle Controle Split Range – Exemplo 3Split Range – Exemplo 3
TT
CoolingWater
Steam
Split-RangeTemperature
Controller
TT TC
RSP
Controle de Temperatura Split RangeSplit Range
Controle Controle Split Range – Exemplo 2Split Range – Exemplo 2
Controle de Temperatura Split RangeSplit Range
0
20
40
60
80
100
Error from Setpoint for Jacket Temperature
Sig
nal t
o C
ontr
ol V
alve
(%
)
SteamCooling Water
T > Tref
ResfriarT < Tref
Aquecer
CONTROLE CONTROLE DE RELAÇÃODE RELAÇÃO
O que é ?
• Existem muitas situações nos processos industriais onde é necessário manter duas variáveis numa proporção ou relação definida;
• Uma variável flutua livremente de acordo com as exigências do processo e é chamada de variável livre;
• A outra variável é proporcional à variável livre e é chamada de variável manipulada;
• Exemplos: a mistura de aditivos à gasolina, mistura proporcional de reagentes de um reator químico e a mistura de fluxos quentes e frios para se obter uma determinada temperatura da mistura.
Controle de Relação - ExemploControle de Relação - Exemplo
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