CONTROLE AVANADO Prof Andr Laurindo Maitelli DCAUFRN CONTROLE

CONTROLE AVANÇADO Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

Controle de Processos Industriais

Controle de Processos Industriais

Controle de Processos

Processos Industriais • Sensor, Transmissor, Válvula de Controle: campo (junto ao processo); • Controlador: sala de controle ou campo; • Equipamentos de controle: analógicos ou digitais; • Sistemas analógicos: sinais de ar pressurizado (3 a 15 psi) psi ou sinais de corrente/tensão (4 -20 m. A, 0 -10 Vdc). Vdc

Controlador Industrial • Modos de Operação: Manual ou Automático; • Ações de Controle: Direta 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 Controlador 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 Set. Point 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 “FEEDFORWARD”

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 Feedforward

Controle Convencional N(s) Gn(s) R(s) E(s) + - Gc(s) G(s) + + Y(s)

Controle Convencional 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 Feedforward perturbação controlador feedforward N(s) Gff(s) Gn(s) R(s) + + - E(s) Gc(s) G(s) + + Y(s) saída

Controle Feedforward • 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.

Exemplo • Sistema de controle de temperatura

Exemplo • 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.

Exemplo

CONTROLE EM CASCATA

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-Point gerado pelo outro controlador.

Controle em Cascata R 1(s) R 2(s) + Gc 1(s) - + laço secundário Gc 2(s) - laço primário G 2(s) Y 1(s) G 1(s)

Controle em Cascata R 1(s) R 2(s) + Y 2(s) Gc 1(s) Y 1(s) G 1(s) - Equação característica: primário secundário

Controle Convencional – exemplo SP + LC - G(s) H

Controle em Cascata - exemplo SP 1 SP 2 + LC - + malha de vazão FC - malha de nível G 1(s) Q H G 2(s)

Controle em Cascata - exemplo Considerando: Controle convencional: + - LGR

Controle em Cascata - exemplo Controle em cascata: laço secundário + - laço primário LGR-secundário -2

COMPENSAÇÃO DO TEMPO MORTO

Tempo 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 morto

Compensação do tempo morto • Considerando: R(s) + Gc 1(s) e-sτ G(s) Y(s) - • A FT de malha fechada é: : (I)

Compensação do tempo morto • Idéia: deslocar o tempo morto para fora da malha de controle R(s) + Gc(s) G(s) Y(s) e-sτ - • Para isto, projetaremos um controlador a fim de que a FT de malha fechada seja: (II)

Compensação do tempo morto • Igualando as equações (I) e (II) temos: Gc 1(s) R(s) + - Y(s) + - Gc(s) (1 -e-sτ)G(s) e-sτ

Compensação 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 “OVERRIDE”

Controle “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 - exemplo

Coluna 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.

Vantagens • 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 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 Override – Exemplo 2 • Controle override para proteção de um compressor • 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 Override – Exemplo 3 • Controle override para proteção de geradores de vapor • 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 “SPLIT RANGE”

Controle “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 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.

Exemplo • Controle de pressão em split-range: split-range

Exemplo • 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 Split Range – Exemplo 2

Controle Split Range – Exemplo 3 Controle de Temperatura Split Range

Controle Split Range – Exemplo 2 Controle de Temperatura Split Range T > Tref Resfriar T < Tref Aquecer

CONTROLE DE 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 - Exemplo