CONTROLE AVANÇADO

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