CONTROLE AVANÇADO

1. CONTROLE AVANÇADO Prof. André Laurindo Maitelli DCA-UFRN

2. CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

3. Controle de Processos Industriais

4. Controle de Processos Industriais

5. Controle de Processos

6. 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) ou sinais de corrente/tensão (4-20 mA, 0-10 Vdc).

7. 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.

8. 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 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.

9. CONTROLE “FEEDFORWARD”

10. 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

11. Controle Feedforward

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

13. Influência da entrada Influência das perturbações Controle Convencional • Se as perturbações são mensuráveis, o controle feedforward é um método útil para cancelar os seus efeitos na saída do processo.

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

15. 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.

16. Exemplo • Sistema de controle de temperatura

17. 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.

18. Exemplo

19. CONTROLE EM CASCATA

20. 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.

21. laço secundário R2(s) Y2(s) R1(s) Y1(s) + + Gc1(s) Gc2(s) G2(s) G1(s) - - laço primário Controle em Cascata

22. R2(s) Y2(s) R1(s) Y1(s) + Gc1(s) G1(s) - primário secundário Controle em Cascata Equação característica:

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

24. malha de vazão SP2 Q H + + LC FC G1(s) G2(s) - - malha de nível Controle em Cascata - exemplo SP1

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

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

27. COMPENSAÇÃO DO TEMPO MORTO

28. 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

29. R(s) Y(s) + e-sτ G(s) Gc1(s) - Compensação do tempo morto • Considerando: • A FT de malha fechada é:: (I)

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

31. Gc1(s) Y(s) R(s) + + G(s) e-sτ Gc(s) - - (1-e-sτ)G(s) Compensação do tempo morto • Igualando as equações (I) e (II) temos:

32. 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.

33. CONTROLE “OVERRIDE”

34. 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.

35. Coluna de Destilação - exemplo

36. 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.

37. 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.

38. 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).

39. 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.

40. 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.

41. CONTROLE “SPLIT RANGE”

42. 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.

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

44. 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.

45. Controle Split Range – Exemplo 2

46. Controle Split Range – Exemplo 3 Controle de Temperatura Split Range

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

48. CONTROLE DE RELAÇÃO

49. 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.

50. Controle de Relação - Exemplo