Apostila Autommacao senai

8/2/2019 Apostila Autommacao senai

1/341

Sistemas de Automao e Controle

1


2/341

Sistemas de Automao e Controle

SENAI ES, 2005.Direitos de Reproduo para a CST

Apostila elaborada pelo Professor de Instrumentao/Automao Industrial: Fbio daCosta Pinto.

SENAI Servio Nacional de Aprendizagem IndustrialDepartamento Regional do Esprito SantoCETEC Centro de Educao e Tecnologia Arivaldo FontesAvenida Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 - Bento Ferreira Vitria ES.CEP 29052-121Telefone: (27) 3334-5200

Telefax: (27) 3334-5212

2


3/341

NDICE

Automao Programvel............................................................................................... 8Sistemas Supervisrios Modernos ......................................................................... 162

1 AUTOMAO INDUSTRIAL

1.1IntroduoVoc j reparou que a automao faz parte do dia-a-dia do homem moderno? Pelamanh, o rdio relgio automaticamente dispara o alarme para acord-lo e comea a daras notcias do dia. Nessa mesma hora, algum esquenta o po para o caf da manhnuma torradeira eltrica, ajustando tempo de aquecimento. Na sala, uma criana liga ovideocassete, que havia sido programado para gravar seu programa infantil predileto dasemana anterior. Quando a casa esquenta pela incidncia dos raios solares, o arcondicionado insufla mais ar frio, mantendo a temperatura agradvel. Esses simples fatosevidenciam como a automao faz parte da vida cotidiana.

1.2ConceitoAutomao um sistema de equipamentos eletrnicos e/ou mecnicos que controlam seu

3


4/341

prprio funcionamento, quase sem a interveno do homem. Automao diferente demecanizao. A mecanizao consiste simplesmente no uso de mquinas para realizar

um trabalho, substituindo assim o esforo fsico do homem. J a automao possibilitafazer um trabalho por meio de mquinas controladas automaticamente, capazes de seregularem sozinhas.

Fig.1.1.Evoluo da automatizao ao longo dos tempos.

1.3Desenvolvimento da AutomaoAs primeiras iniciativas do homem para mecanizar atividades manuais ocorreram na pr-histria com invenes como a roda. O moinho movido por vento ou fora animal e asrodas d'gua demonstram a criatividade do homem para poupar esforo.Porm, a automao s ganhou destaque na sociedade quando o sistema de produoagrrio e artesanal transformou-se em industrial, a partir da segunda metade do sculoXVIII, inicialmente na Inglaterra.Os sistemas inteiramente automticos surgiram no incio do sculo XX, entretanto, bem

antes disso foram inventados dispositivos simples e semi-automticos.Devido necessidade de aumentar a produo e a produtividade, surgiram uma srie deinovaes tecnolgicas: Mquinas modernas, capazes de produzir com maior preciso e rapidez em relao aotrabalho feito mo. Utilizao de fontes alternativas de energia, como o vapor, inicialmente aplicada amquinas em substituio s energias hidrulica e muscular.

Por volta de 1788, James Watt desenvolveu um mecanismo de regulagem do fluxo dovapor em locomotivas. Isto pode ser considerado um dos primeiros sistemas de controlecom realimentao e regulador e consistia num eixo vertical com dois braos prximos ao

topo, tendo em cada extremidade uma bola pesada. Com isso, a mquina funcionava demodo a se regular sozinha, automaticamente, por meio de um lao de Realimentao.

4


5/341

Fig.1.2.Representao simplificada do mecanismo de J. Watt.

A partir de 1870, tambm a energia eltrica passou a ser utilizada e a estimular indstriascomo a do ao, a qumica e a de mquinas-ferramenta e o setor de transportes progrediubastante graas expanso das estradas de ferro e indstria naval.No sculo XX, a tecnologia da automao passou a contar com computadores,servomecanismos e controladores programveis. Os computadores so o alicerce de todaa tecnologia da automao contempornea.

Encontramos exemplos de sua aplicao praticamente em todas as reas doconhecimento e da atividade humana, por exemplo, ao entrarmos num banco para retirarum simples extrato somos obrigados a interagir com um computador. Passamos o cartomagntico, informamos nossa senha e em poucos segundos obtemos a movimentaobancria impressa.

Fig.1.3.Aplicao do computador

A origem do computador est relacionada necessidade de automatizar clculos,evidenciada inicialmente no uso de bacos pelos babilnios, entre 2000 e 3000 a.C.O marco seguinte foi inveno da rgua de clculo e, posteriormente, da mquina-aritmtica, que efetuava soma e subtrao por transmisses de engrenagens. GeorgeBoole desenvolveu a lgebra booleana, que contm os princpios binrios, posteriormenteaplicados s operaes internas de computadores.

Em 1880, Herman Hollerith criou um novo mtodo, baseado na utilizao de cartesperfurados, para automatizar algumas tarefas de tabulao do censo norte-americano. Osresultados do censo, que antes demoravam mais de dez anos para serem tabulados,foram obtidos em apenas seis semanas. O xito intensificou o uso desta mquina que,por sua vez, norteou a criao da mquina IBM, bastante parecida com o computador.Em 1946, foi desenvolvido o primeiro computador de grande porte, completamenteeletrnico o Eniac, como foi chamado, ocupava mais de 180 m2 e pesava 30 toneladas.Funcionava com vlvulas e rels que consumiam 150.000 watts de potncia para realizarcerca de 5.000 clculos aritmticos por segundo: Esta inveno caracterizou o que seria aprimeira gerao de computadores que utilizava tecnologia de vlvulas eletrnicas.A segunda gerao de computadores marcada pelo uso de transistores (1952). Estes

componentes no precisam aquecer-se para funcionar, consomem menos energia e so

5

Nmero da

Conta e Senha

Processamento

de Dados

conta e senha

Extrato

Impresso

COMPUTADOR


6/341

mais confiveis. Seu tamanho era cem vezes menor que o de uma vlvula, permitindoque os computadores ocupassem muito menos espao.

Com o desenvolvimento tecnolgico, foi possvel colocar milhares de transistores numapastilha de silcio de 1 cm2 , o que resultou no circuito integrado (CI): Os CIs deramorigem terceira gerao de computadores, com reduo significativa de tamanho eaumento da capacidade de processamento.

Em 1975, surgiram os circuitos integrados em escala muito grande (VLSI): Os chamadoschips constituram a quarta gerao de computadores. Foram ento criados oscomputadores pessoais, de tamanho reduzido e baixo custo de fabricao.Para se teridia do nvel de desenvolvimento desses computadores nos ltimos quarenta anos,enquanto o Eniac fazia apenas 5 mil clculos por segundo, um chip atual faz 50 milhesde clculos no mesmo tempo.Voltando a 1948, o americano John T Parsons desenvolveu um mtodo de emprego decartes perfurados com informaes para controlar os movimentos de uma mquina-ferramenta.Demonstrado o invento, a Fora Area patrocinou uma srie de projetos de pesquisa,coordenados pelo laboratrio de servomecanismos do Instituto Tecnolgico deMassachusetts (MIT). Poucos anos depois, o MIT desenvolveu um prottipo de umafresadora com trs eixos dotados de servomecanismos de posio.A partir desta poca, fabricantes de mquinas-ferramenta comearam a desenvolverprojetos particulares.

Essa atividade deu origem ao comando numrico, que implementou uma formaprogramvel de automao com processo controlado por nmeros, letras ou smbolos.Com esse equipamento, o MIT desenvolveu uma linguagem de programao que auxilia aentrada de comandos de trajetrias de ferramentas na mquina. Trata-se da linguagem APT (do ingls, Automatically Programmed Tools, ou Ferramentas ProgramadasAutomaticamente).Os robs (do tcheco robota, que significa "escravo, trabalho forado") substituram a mo-de-obra no transporte de materiais e em atividades perigosas. O rob programvel foiprojetado em 1954 pelo americano George Devol, que mais tarde fundou a fbrica derobs Unimation. Poucos anos depois, a GM instalou robs em sua linha de produopara soldagem de carrocerias.

Ainda nos anos 50, surge a idia da computao grfica interativa: forma de entrada dedados por meio de smbolos grficos com respostas em tempo real. O MIT produziufiguras simples por meio da interface de tubo de raios catdicos (idntico ao tubo deimagem de um televisor) com um computador. Em 1959, a GM comeou a explorar acomputao grfica.A dcada de 1960 foi o perodo mais crtico das pesquisas na rea de computao grficainterativa. Na poca, o grande passo da pesquisa foi o desenvolvimento do sistemasketchpad, que tornou possvel criar desenhos e alteraes de objetos de maneirainterativa, num tubo de raios catdicos.No inicio dos anos 60, o termo CAD (do ingls Computer Aided Design ou "ProjetoAuxiliado por Computador") comeou a ser utilizado para indicar os sistemas grficos

orientados para projetos.

6


7/341

Nos anos 70, as pesquisas desenvolvidas na dcada anterior comearam a dar frutos. Ossetores governamentais e industriais passaram a reconhecer a importncia da

computao grfica como forma de aumentar a produtividade.Na dcada de 1980, as pesquisas visaram integrao e/ou automatizao dos diversoselementos de projeto e manufatura. Com o objetivo de criar a fbrica do futuro, o foco daspesquisas foi expandir os sistemas CAD/CAM (Projeto e Manufatura Auxiliado porComputador). Desenvolveu-se tambm o modelamento geomtrico tridimensional commais aplicaes de engenharia (CAE - Engenharia Auxiliada por Computador). Algunsexemplos dessas aplicaes so a anlise e simulao de mecanismos, o projeto anlisede injeo de moldes e a aplicao do mtodo dos elementos finitos.Hoje, os conceitos de integrao total do ambiente produtivo com o uso dos sistemas decomunicao de dados e novas tcnicas de gerenciamento esto se disseminandorapidamente, j sendo uma realidade o CIM (Manufatura Integrada por Computador).1.4 Tipos de AutomaoEmbora a automao industrial tenha sido desencadeada, fundamentalmente, pelanecessidade de melhorar os nveis de produtividade, as alteraes do tipo de mercadotm feito evoluir o conceito de automao. Quando o mercado era caracterizado pelaabundncia de produtos iguais e duradouros, em que a economia de escala dominava acena industrial, a automao era fixa, isto , a seqncia de operaes no sistema erafixada pela configurao do equipamento projetado para um determinado produto.Embora com taxas altas de produtividade, essas alteraes exigiam operaescomplexas, demoradas e dispendiosas.Com o aparecimento de um mercado caracterizado pela diversidade de produtos com

vida til reduzida, o sistema produtivo, para dar resposta, teve de se flexibilizar, sem,contudo pr em causa os nveis mdios de produtividade. Assim, a seqncia deoperaes passa a ser controlada por um programa (listagem de instrues), permitindo aflexibilizao do processo automtico de produo. Esta mudana provocou alteraes aonvel da tecnologia utilizada nos dispositivos de controle.A evoluo tecnolgica tem vindo a permitir a implementao de novos sistemas deautomao que acompanham as novas concepes das linhas de produo. Podemosdistinguir genericamente os seguintes tipos de automao: Automao fixa; Automao programada; Automao flexvel.

Vamos seguidamente caracterizar de uma forma resumida cada um destes tipos deautomao.

1.4.1 Automao FixaEste tipo de automao caracterizado pela rigidez da configurao do equipamento.Uma vez projetada uma determinada configurao de controle, no possvel alter-laposteriormente sem realizar um novo projeto. As operaes a realizar so em geral simples e a complexidade do sistema tem,sobretudo a ver com a integrao de um elevado nmero de operaes a realizar. Osaspectos tpicos da automao fixa so: Investimentos iniciais elevados em equipamentos especficos; Elevadas taxas de produo;

7


8/341

Impossibilidade em geral de prever alteraes nos produtos;Este tipo de automao justifica-se do ponto de vista econmico quando se pretende

realizar uma elevada produo. Como exemplos de sistemas deste tipo, podemos citar asprimeiras linhas de montagem de automveis nos Estados Unidos. (Ex: linha de produodo Ford T, 1913).

1.4.2 Automao ProgramvelNeste caso, o equipamento montado com a capacidade de se ajustar a alteraes daseqncia de produo quando se pretende alterar o produto final. A seqncia deoperaes controlada por um programa. Assim, para cada novo produto ter que serrealizado um novo programa. Os aspectos tpicos da automao programvel so: Elevado investimento em equipamento genrico, Taxas de produo inferiores automao fixa, Flexibilidade para alteraes na configurao da produo, Bastante apropriada para produo por lotes (batch processing).No final da produo de um lote, o sistema reprogramado. Os elementos fsicosenvolvidos como, por exemplo, ferramentas de corte e parmetros de trabalho dasmquinas ferramentas, devem ser reajustados. O tempo despendido na produo de umlote deve incluir o tempo dedicado aos ajustamentos iniciais e o tempo de produo dolote propriamente dito.

Podem-se referir como exemplos de sistemas de automao programvel as mquinas deComando Numrico (CNC Computer Numeric Control) com incio de atividade em

1952 e as primeiras aplicaes de robs industriais em 1961. (Ver Fig.1.4).

Fig.1.4Exemplo de aplicao industrial de um rob: alimentao de peas de uma

8


9/341

mquina-ferramenta. (Fonte: Eshed Robotec).

1.4.3 Automao Flexvel uma extenso da automao programvel. A definio exata desta forma de automaoest ainda em evoluo, pois os nveis de deciso que envolve podem neste momentoincluir toda a organizao geral da produo. Um sistema flexvel de produo capaz deproduzir uma determinada variedade de produtos sem perda significativa de tempo deproduo para ajustamentos entre tipos diferentes. Assim, o sistema pode produzir vriascombinaes de produtos sem necessidade de os organizar em lotes separados.Os aspectos tpicos da automao flexvel so: Elevados investimentos no sistema global;

Produo contnua de misturas variveis de produtos; Taxas de produo mdia; Flexibilidade de ajustamento s variaes no tipo dos produtos;

Os aspectos essenciais que distinguem a automao flexvel da programvel so: Capacidade de ajustamento dos programas a diferentes produtos sem perda de tempode produo; Capacidade de ajustamento dos elementos fsicos da produo sem perda de tempode produo;

Fig.1.5.Exemplo de um sistema automtico flexvel controlado por computador. (Fonte:

Eshed Robotec).

As alteraes dos programas so feitas normalmente off-line num nvel hierrquicosuperior, sendo transmitidas ao computador do processo via ligao em rede.

A evoluo previsvel da automao flexvel no futuro prximo ser funo dos

9


10/341

desenvolvimentos que se vierem a dar nas seguintes reas: Desenvolvimento de computadores cada vez mais rpidos e em comunicao comtodos os sistemas envolvidos na produo, atravs de redes industriais (Ex: redesEthernet, Telway, PROFIBUS, etc). Desenvolvimento de programas inteligentes ("Expert Systems"), Desenvolvimentos nos campos da robtica e da viso artificial, Desenvolvimento nos veculos guiados automaticamente (AGVs).

2 CONTROLE DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

2.1.Consideraes geraisA regulao e o controle automtico de sistemas industriais desempenha um papel devital importncia no desenvolvimento da cincia e da engenharia. Para alm de possuiruma importncia fundamental nos sistemas de pilotagem de navios, avies, msseis,veculos espaciais, etc. passou a tornar-se uma parte integrante do funcionamento deprocessos industriais tpicos (manufatura, produo de energia, produtos qumicos,transportes, instalaes de frio e ar condicionado, etc.). O controle automtico essencial, por exemplo, em operaes industriais que envolvam o controle de posio,velocidade, presso, vazo, temperatura, umidade, viscosidade, etc. Neste captulo,vamos apresentar os conceitos bsicos relativos teoria do controle automtico, bem

como as principais estruturas utilizadas no controle de processos industriais. Por fim,faremos uma breve descrio do tipo de controladores ou reguladores mais utilizados naindstria, bem como as suas principais caractersticas e formas de ajuste dos respectivosparmetros.

2.1.1 Perspectiva HistricaEmbora desde sempre o homem tenha tentado controlar os fenmenos naturais em seuprprio proveito, a primeira tentativa sria e que historicamente considerada como umdos primeiros trabalhos significativos na rea de controle automtico, foi efetuado peloinvestigador James Watt, que construiu um regulador centrfugo para efetuar o controle develocidade de uma mquina a vapor (Inglaterra, sc. XVIII). Dado o seu interesse

histrico, apresenta-se na Fig.2.1, o esquema de um regulador de velocidade de ummotor Diesel, baseado no princpio inventado por James Watt.

10


11/341

Fig.2.1.Esquema bsico do regulador de Watt aplicado regulao de velocidade de motor

Diesel.

No esquema da Fig.2.1, podemos verificar que o veio do motor tem acoplado um sistemacom duas massas (m) que rodam com o veio velocidade de rotao . Assim, quando omotor aumenta de rotao, devido ao centrfuga as massas tendem a afastar-sediminuindo o curso (y), elevando assim a haste (h) ligada vlvula de combustvel. Destemodo, o caudal de combustvel diminui o que faz baixar a velocidade de rotao do motor.Por conseguinte, as massas tendem a aproximar-se do veio, aumentando y, baixando haumentando a velocidade do motor . Este procedimento repete-se at se atingir uma

situao de equilbrio.No sculo XX, foram iniciados de fato os estudos e as aplicaes do controle automtico indstria. Assim, com o avano da cincia e da tecnologia, foram dados os primeirospassos nas dcadas de vinte e trinta, perodos nos quais foram efetuados importantesdesenvolvimentos. Durante a dcada de quarenta, foram dados novos e importantespassos nesta rea. Deste modo, aps a introduo do primeiro regulador pneumtico PID1

na indstria, os investigadores J. Ziegler e N. Nichols desenvolveram um mtodo deajuste timo destes reguladores, que ficou conhecido por"Mtodo de Ziegler-Nichols".Este mtodo permitiu resolver muito dos problemas de ajuste dos parmetros dereguladores, atravs de uma metodologia relativamente simples e eficaz.

1 Estes reguladores utilizam as 3 aes bsicas de regulao: Proporcional (P), Integral (I) e Derivativa (D),relativamente ao erro. So tambm designados na indstria, por reguladores de trs aes (three-term-

regulator).

11


12/341

a) b)

Fig.2.2.a)Aspecto de um regulador pneumtico PID atual utilizado na indstria.b)Controlador eletrnico e sensores analgicos de diversos tipos.

Nos anos setenta e seguintes, devido s crescentes potencialidades dos computadoresdigitais para efetuar a manipulao de grandes volumes de dados e de efetuar clculoscomplexos, estes passaram a ser progressivamente cada vez mais utilizados naconstruo de reguladores industriais, sensores transdutores, etc. Esta tcnica, querecorre utilizao em larga escala de micro-computadores para efetuar a monitorizaoe o controle digital conhecida por controle digital direto (DDC - "Direct Digital Control").

Neste tipo de controle, utilizado um computador digital para efetuar o controle doprocesso em tempo real, de um ou mais processos, consoante o tipo e complexidade daaplicao industrial.

Fig.2.3.Aspecto de uma gama de reguladores industriais atuais baseados em

microprocessador.

Por fim, os mtodos de estudo e anlise de sistemas de controle contnuo e digitalpassaram a ficar extraordinariamente facilitados com o surgimento nos ltimos anos dediversas ferramentas informatizadas cada vez mais poderosas, versteis e comcapacidades grficas muito interessantes. Deste modo, o estudo de sistemas complexos,que atravs dos mtodos tradicionais se revelava bastante complexo, passou a ser

12


13/341

bastante acessvel atravs do recurso s potencialidades destes programas2, de utilizaocada vez mais generalizada no ensino das matrias de Controle Automtico.

Fig.2.4.Exemplo de um diagrama de simulao grfico em MATLAB/SIMULINK

NOTA: A figura representa o diagrama de blocos do sistema de controle em malhafechada de um motor de combusto interna.

2.1.Estruturas bsicas do Controle Automtico

2.2.1 Controle em Malha FechadaNo sistema clssico de controle em malha fechada, que na sua forma mais usual constitudo por componentes contnuos ou analgicos, o sinal de sada possui um efeitodireto na ao de controle, pelo que poderemos design-los por sistemas de controle comrealimentao ou retroao ("feedback). Neste tipo de sistemas, o sinal de erro quecorresponde diferena entre os valores de referncia e de realimentao (que pode sero sinal de sada ou uma funo do sinal de sada), introduzido no controlador de modo areduzir o erro e a manter a sada do sistema num determinado valor, pretendido pelooperador. Por outras palavras, o termo "MALHA FECHADA" implica necessariamente a

existncia de uma realimentao com o objetivo de reduzir o erro, e manter deste modo asada do sistema num determinado valor desejado. A Fig.2.5 representa a relaoentrada-sada de um sistema de controle tpico em malha fechado. Esta representaogrfica designada na literatura de Controle por"DIAGRAMA DE BLOCOS".

Ao de controle

2 Podemos destacar entre outros o MATLAB/SIMULINK (Mathworks, Inc.), MAPLE e MATHCAD.

13


14/341

Fig.2.5.Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha fechada.

Para ilustrar o sistema de controle em malha fechada, vamos considerar o sistematrmico da Fig.2.6, na qual est representado um operador que desempenha a funo decontrolador. Este operador pretende manter constante a temperatura da gua sada deum permutador de calor. No coletor de sada, est montado um termmetro (elemento demedida) que mede a temperatura real da gua quente (varivel de sada do sistema).Deste modo, em funo das indicaes fornecidas pelo elemento de medida, o operadorir manipular a vlvula de controle de vazo de vapor de aquecimento, de modo a mantera temperatura da gua o mais prxima possvel do valor desejado.

Fig.2.6.Esquema de Controle Manual de um Sistema Trmico.

Se em vez do operador, for utilizado um controlador automtico, conforme apresentado naFig.2.7, o sistema de controle passa a designar-se por automtico. Neste caso, ooperador seleciona a temperatura de referncia ("set-point") no controlador. A sada do

processo (temperatura real da gua quente sada do permutador de calor), medida

14


15/341

pelo transdutor de temperatura, e comparada no controlador com a temperatura dereferncia de modo a gerar um sinal de erro. Tomando como base este sinal de erro, o

controlador gera um sinal de comando3 para a vlvula de regulao de vapor (atuador).Este sinal de comando permite variar gradualmente a abertura da vlvula, e, porconseguinte a vazo de vapor a admitir no permutador. Deste modo, possvel controlarautomaticamente a temperatura da gua sada do permutador, sem que seja necessriaa interveno do operador.

Fig.2.7.Esquema do sistema de regulao automtica de um sistema trmico.

a) b) c) d)

Fig.2.8.Dispositivo de regulao de temperatura com componentes atuais.

a) Transdutor de temperatura.b) Controlador digital PID.c) Conversor corrente-presso (Conversor I-P), que converte o sinal de controle de4-20 mA para presso (3-15 psi).d) Vlvula de regulao com comando por ar comprimido (3-15 psi = 0.21-1.05 bar).

3 Sinal de controle -> o sinal de sada do regulador, normalmente do tipo eltrico, pneumtico ou hidrulico.

enviado para o atuador atravs de uma interface de potncia (amplificador, conversor, corrente-presso(I/P), etc.).

15


16/341

Como podemos verificar atravs das figuras anteriores, os dois sistemas funcionam de

uma forma muito semelhante. Deste modo, os olhos do operador e o termmetro,constituem o dispositivo anlogo ao sistema de medida de temperatura; o seu crebro anlogo ao controlador automtico, realiza a comparao entre os valores de temperaturadesejada e medida, e gera o respectivo sinal de comando. Este sinal veiculado pelosseus msculos que realizam a abertura ou fecho da vlvula, os quais tm um papelanlogo ao motor da vlvula de regulao de vapor.

2.2.2 Controle em Malha AbertaNeste tipo de sistemas de controle, a sada no exerce qualquer ao no sinal decontrole. Deste modo, a sada do processo no medida nem comparada com a sada dereferncia. A Fig.2.9 representa o diagrama de blocos de um sistema deste tipo.

Fig.2.9.Diagrama de blocos de um sistema de controle em malha aberto.

Como se pode observar na figura, neste tipo de controle, a sada no comparada com a

entrada de referncia. Deste modo, para cada valor da sada ir corresponder umacondio de funcionamento fixa. No entanto, na presena de perturbaes, o sistema noir atingir os objetivos desejados. Na prtica, o controle em malha ou malha aberto,somente deve ser utilizado em sistemas para os quais a relao entre a entrada e a sadaseja bem conhecida, e que no tenham perturbaes internas ou externas significativas.

2.2.3 Comparao entre os sistemas em malha fechada e aberta.A vantagem dos sistemas de controle em malha fechada, relativamente aos de malhaaberta, consiste no fato da realimentao, tornar a resposta do sistema relativamenteinsensvel e perturbaes externas e a variaes internas dos parmetros do sistema.Deste modo, possvel utilizar componentes mais baratos e de menor preciso, paraobter o controle preciso de um dado processo. Esta caracterstica impossvel de obtercom um sistema em malha aberta. Do ponto de vista da estabilidade, os sistemas decontrole em malha aberta so mais robustos, uma vez que a estabilidade no constitui umproblema significativo. Nos sistemas de controle em malha fechada, a estabilidadeconstitui um problema de primordial importncia, visto que o sistema pode tender asobrepor erros, produzindo oscilaes de amplitude constante ou varivel. Assim,podemos concluir que:

Os sistemas em que so conhecidas as variveis de entrada antecipadamenteno tempo, e nos quais no haja perturbaes muito significativas, aconselhvel a utilizao do controle em malha aberta. Para sistemas que

estejam sujeitos a perturbaes imprevisveis e/ou variaes no previstas

16


17/341

nos componentes do sistema, deve-se utilizar o controle em malha fechada.

Sempre que possvel, aconselhvel utilizar uma combinao apropriada de controle emmalha aberta e fechada, visto ser normalmente a soluo mais econmica, e que forneceum desempenho global do sistema mais satisfatrio.

NOTA: O conceito de controlador ou regulador aplicado nestes apontamentos de formaindistinta. No entanto, existem diferenas entre as duas designaes. Assim, tem-se:Regulador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretendemanter fixa a referncia r(t) e controlar as perturbaes na sada c(t). o caso usual docontrole de processos utilizados na indstria (presso, temperatura, vazo, nvel, etc.).Exemplo: Pretende-se manter constante a temperatura da gua sada de umpermutador, independentemente da vazo de passagem e da temperatura da gua entrada.

Controlador: dispositivo de controle utilizado preferencialmente quando se pretende quea sada c(t) acompanhe uma referncia varivel no tempo r(t) para alm de efetuartambm o controle das perturbaes na sada. Um exemplo tpico deste dispositivo decontrole designa-se por servomecanismo, sendo muito utilizado em sistemas de controlede posio e velocidade.Exemplo:1) Controle do ngulo de leme de um navio. Neste caso pretende-se que o leme rode deum ngulo igual ao da referncia de ngulo de leme.2)Controle de velocidade de um motor Diesel de navio.

2.3.1 Controle Digital

Conforme j foi referido anteriormente, com o avano cada vez maior da tecnologia dosmicroprocessadores, o regulador clssico (contnuos ou analgicos) apresentado noponto anterior, tm vindo progressivamente a ser substitudo por controladores oureguladores digitais, baseados em microprocessador. Assim, no sistema de controlecontnuo representado na Fig.2.5, pode-se substituir o controlador analgico por umcontrolador digital. As diferenas bsicas entre estes dois controladores residem no fatode o sistema digital funcionar com sinais discretos (ou amostras do sinal contnuo medidopelo transdutor de medida), em vez dos sinais contnuos utilizados no controladoranalgico. (Os diversos tipos de sinais no esquema da Fig. 2.10, esto representados naFig.2.11).

17


18/341

Fig.2.10.Diagrama de blocos do esquema de controle digital em malha fechada.

Fig.2.11.

Evoluo temporal dos sinais num malha de controle digital.

No diagrama do sistema de controle digital da Fig. (2.10), podemos ver que este contmelementos analgicos e digitais. Deste modo, o relgio (clock) ligado aos conversores A/D e D/A (D/A e A/D converters) fornece um pulso para cada T segundos. Osconversores D/A e A/D enviam apenas os respectivos sinais quando chega o sinalpulsado de relgio. O objetivo desta ao, o de fazer com que o processo (Plant)

receba apenas amostras do sinal de entrada u(k) e envie apenas sinais de sada y(k)

18


19/341

sincronizados com o sinal de relgio.Deste modo, necessrio manter constante o sinal de entrada u(k) durante o intervalo de

amostragem. Assim, vamos supor que o sinal u(k) representa a amostra do sinal deentrada. Existem tcnicas que permitem obter a amostra u(k) e manter ou reter (hold) osinal de modo a produzir um sinal contnuo (t).O grfico da Fig.2.12 mostra que o sinal(t) mantido constante para u(k) no intervalo [kT ; (k+1)T]. Esta operao de retenode (t)constante durante o intervalo de amostragem designada por "reteno de ordemzero" ou "zero-order hold".

Fig.2.12.Resposta de um sinal com retentor de ordem zero ("zoh -> zero order hold").

O sinal (t) tratado pelo retentor de ordem zero introduzido em H2(s) de modo aproduzir a sada do processo y(t). Este sinal depois amostrado pelo conversor A/D demodo a poder-se obter o sinal y(k) que ir ser igual amostra do sinal contnuo y(t). Estaoperao equivalente a introduzir o sinal u(t) em H(s) de modo a obter o sinal contnuode sada do processo y(t).

19


20/341

Fig.2.13.Evoluo dos sinais num sistema digital (em cima) e contnuo analgico (em baixo).

Exemplo de sistema de controle digital (posio angular do veio de um motor).Na Fig.2.14 ns podemos observar um sistema de regulao digital da posio do veio deum motor eltrico, atravs de micro-computador contendo um processador digital de sinal(DSP - Digital Signal Processor), de modo a poder realizar um elevado volume declculos sem necessitar de utilizar o microprocessador do computador. O elemento demedida de posio fornece um sinal analgico que seguidamente convertido num sinaldigital atravs de um conversor A/D, de modo a poder ser efetuada a lei de controle. Noteque o sinal do encoder tambm enviado para o PC via porta serial a fim de poder serrecolhida a posio angular do veio do motor. Na placa de DSP, so efetuados osclculos do algoritmo de controle (PID ou outro), obtendo-se um sinal de controle digital,que ter de ser convertido para um sinal analgico atravs de um conversor D/A. Nestecaso, o atuador constitudo por um amplificador de potncia de modo a poder atuar omotor. Assim, o computador e placa dedicada de DSP funcionam como um reguladordigital de posio (servomecanismo), realizando a ao de controle atravs de umprograma escrito numa linguagem de alto nvel (Basic, Fortran, C, C++, Visual Basic,

etc...).

Fig.2.14.Sistema de regulao digital de posio de um motor eltrico.

20


21/341

2.4 Exemplos de Sistemas de Controle e Regulao Industrial

Robs manipuladores -Os manipuladores mecnicos (robs), so usadosfreqentemente na indstria para aumentar a produtividade. Os robs podem realizar

trabalhos montonos e complexos, sem produzirem erros durante o funcionamento. Para,alm disso, podem operar em ambientes intolerveis para os seres humanos.

Fig.2.15a.Sistema robtico, com utilizao de cmara de vdeo para a deteco de objetos, a

sua posio e orientao.

Fig.2.15b.Diagrama de Blocos do Sistema com Viso

O Rob Industrial constitudo por uma parte mecnica, construda das mais diversasformas e geometrias. No entanto, deve possuir pelo menos um ombro, um brao e umpunho, e desenvolver a potncia suficiente para manipular as peas durante o ciclo detrabalho. Deve possuir tambm uma srie de sensores (posio, velocidade, fora, etc..),que so instalados nas diversas partes da estrutura mecnica. Num rob de elevadaqualidade, pode ser tambm instalado um sistema de viso artificial (Ex: cmara de


22/341

vdeo), para detectar a presena de um objeto a manipular, a sua localizao e arespectiva orientao. O sistema de controle do Rob (computador digital), efetua aoperao de manipulao do objeto, de acordo com o programa especificado peloutilizador.

Mquina-ferramenta com comando CNC - Na Fig.2.16, podemos observar umaMquina-ferramenta com controle numrico (CNC Computer Numeric Control), para ausinagem de peas com perfis complexos (Ex: rotor de um compressor centrfugo). Nestecaso, as coordenadas da pea, so introduzidas atravs de uma disquete, e o controladordigital envia os respectivos sinais de controle para o sistema de maquinao de modo areproduzir a pea. A realimentao do sistema (feedback), garante que o perfil da pea irser executado com a preciso desejada.Controle de processos industriais o caso mais usual de aplicao de sistemas decontrole, quer na indstria em geral, quer no caso de instalaes martimas em particular.A ttulo de exemplo, podem-se referir os seguintes casos:i) Controle de temperatura de um trocador de calor;ii) Controle de nvel de uma caldeira;

iii) Controle de velocidade de uma turbina a vapor;iv) Controle de presso de vapor numa tubulao;v) Controle do ngulo de leme de um navio (piloto automtico).

Fig.2.16.

Sistema CNC de uma mquina-ferramenta.

22


23/341

2.5Controladores Automticos Industriais

2.5.1 IntroduoUm controlador automtico tem como funo produzir um sinal de controle que anule oerro (desvio), ou o reduza a um valor muito pequeno. O controlador compara o valor realda sada do processo com o valor desejado (set-point), determina o erro ou desvio, e

produz o respectivo sinal de comando para o atuador. Os controladores podem serclassificados de acordo com o tipo de tecnologia utilizada na sua construo. Deste modo,poderemos ter:- Controladores pneumticos- Controladores hidrulicos- Controladores eletrnicos (analgicos e digitais)A seleo do tipo de controlador dever ser estudada caso a caso, visto que ir dependerda natureza do processo, energia disponvel, condies de segurana, custo, preciso,confiabilidade, peso e dimenses do equipamento.

2.5.2 Aes de Controle BsicasA realizao do sinal de comando pelo controlador, pode ser obtida de diversas formas,designadas por"aes de controle ou de regulao", o que nos permite classificar oscontroladores da seguinte forma:

- Controladores de duas posies (ON-OFF)- Controladores Proporcionais (P)- Controladores do tipo Integral (I)- Controladores do tipo Proporcional +Integral (P +I)- Controladores do tipo Proporcional +Derivativo (P +D)- Controladores do tipo Proporcional +Integral +Derivativo (P +I +D)

O controlador executa diversas funes que poderemos descrever da seguinte forma: emprimeiro lugar detectado o sinal de erro, normalmente de baixo nvel de potncia, peloque o controlador deve possuir um rgo que permita amplific-lo a um nvel suficienteelevado.A sada de um controlador ligada a um dispositivo de potncia, como por exemplo, uma

vlvula pneumtica, motor hidrulico ou eltrico.

23


24/341

Na Fig.2.17 podemos observar um diagrama de blocos de um controlador industrial, bemcomo o elemento de medida (sensor). O controlador formado por um detector de erro(ponto de soma) e um algoritmo de controle + amplificador. O elemento de medidaconverte a varivel de sada em uma outra varivel, como seja um deslocamento, pressoou sinal eltrico que utilizado para comparar a sada em relao ao sinal de entrada dereferncia. Este elemento constitui o ramo de realimentao do sistema em anel fechado.O ponto de ajuste do controlador deve ser convertido numa entrada de referncia com asmesmas unidades do sinal de realimentao do elemento de medida. O amplificador tem

como funo amplificar a potncia do sinal de sada do controlador, de modo a poderoperar o atuador. O atuador tem como funo alterar a entrada do processo de acordocom o sinal de controle, de modo a que a sada do processo seja igual ou o mais prximapossvel do valor de referncia (set-point).

Fig.2.17.Diagrama de blocos de um sistema de controle automtico.

2.5.2.1 Ao de Controle de duas posies (ON-OFF)Este sistema de controle apresenta a vantagem de ser simples e barato, o que se traduzna sua grande aplicao, tanto em sistemas industriais como domsticos. Neste sistema,o elemento possui apenas duas posies fixas, que so a de ligado ou desligado.Considerando o sinal de sada do controlador u(t) e o sinal de erro e(t), num controledeste tipo, o sinal u(t) permanece ou num valor mximo ou num valor mnimo,dependendo do sinal de erro ser positivo ou negativo.Assim:

u(t)=M1 para e(t)>0M1, M2 = constantes

u(t)=M2 para e(t)


25/341


26/341


27/341

Em regulao industrial, muitas vezes utilizada a Banda Proporcional (B.P.), que definida como o inverso de Kp em percentagem (%). Deste modo, a B.P (%), pode serdefinida da seguinte forma:

O inverso da B.P. obviamente o ganho proporcional (valor adimensional). Paratornarmos Kp dimensional, teremos que multiplicarKp pelas escalas das variveis de erroe de sada do controlador. Assim, tem-se:

O ganho proporcional Kp pode igualmente vir expresso em diversas unidades de que soexemplo as seguintes: psi /C, V /mA, mA /V, etc.

2.5.2.3 Ao de Controle Integral (I)Na ao integral, o valor de sada u(t) varia com uma taxa proporcional ao sinal de erroe(t).Assim, teremos:

Em que Ki uma constante de ganho ajustvel (Ganho integral). Se o valor de e(t)duplicar ento u(t)ir variar duas vezes mais rapidamente. Para e(t)=0, o valor de u(t) irmanter-se num valor constante ou estacionrio. O diagrama de blocos deste tipo decontrolador est representado na Fig.2.21.

Fig.2.21.Diagrama de blocos de um controlador integral.

27


28/341

2.5.2.4 Ao de Controle Proporcional +Integral (PI)Esta ao de controle definida pela seguinte equao:

Em que Kp a sensibilidade ou ganho proporcional e Ti o tempo integral. Tanto Kpcomo Tiso ganhos ajustveis. Ti tem como funo ajustar a ao de controle integral,enquanto que Kp tem ao sobre a parte proporcional e tambm sobre a integral. Otempo integral, aparece em muitos controladores com a escala de minutos por repetio(m.p.r). O inverso do tempo integral ou ganho integral Ki, designa-se por taxa derestabelecimento ("reset time"), ou seja, o nmero de vezes por minuto que a aoproporcional duplica, sendo definida em termos de repeties por minuto (r.p.m.). AFig.2.22a representa o diagrama de blocos de um Controlador PI.Se o sinal de erro e(t) for uma funo degrau unitrio, conforme representado naFig.2.22b, ento a sada u(t) ser a indicada na Fig.2.22b.

Fig.2.22a.Diagrama de Comando de um Controlador Proporcional+Integral(PI).

28


29/341

Fig.2.22bDiagramas indicando a entrada degrau unitrio e(t) e a sada do controladoru(t).(NOTA: Kp =1; Ti=1 seg.).

2.5.2.5 Ao de Controle Proporcional + Derivativa (PD)Esta ao de controle definida pela seguinte equao:

Em que Td o tempo derivativo definido em segundos ou minutos. Tanto Kp como Tdsograndezas ajustveis. A ao de controle derivativa proporcional taxa de variao dosinal de erro. O tempo derivativo Td o intervalo de tempo durante o qual a aoderivativa antecipa o valor da ao de controle proporcional.A Fig.2.23 representa o diagrama de blocos de um controlador PD. Se e(t) uma funorampa unitria, ento a sada u(t) ser a indicada no grfico 1 da Fig.2.23b. Como sepode concluir da observao do grfico 2 da Fig.2.23b, a ao de controle derivativa temum carter "antecipatrio". Obviamente, a ao de controle derivativa nunca poderantecipar uma ao que ainda no tenha ocorrido. Esta ao tem como desvantagem,

amplificar os sinais de rudo e causar um efeito de saturao no atuador.

29


30/341

NOTA IMPORTANTE: A ao de controle derivativa nunca deve ser utilizadaisoladamente, porque esta ao somente atua quando o erro varia no tempo, ou seja,durante os perodos transitrios.

Fig.2.23a.Diagrama de Blocos de um Controlador Proporcional + Derivativo

Fig.2.23b.Diagramas indicando a entrada em rampa unitria e a sada do controlador.

(NOTA: Kp =1 ; Td=1 seg.).

30


31/341

2.5.2.6 Ao de Controle Proporcional + Integral + Derivativa (PID)Esta ao resulta da combinao de trs aes, que so: a proporcional, a derivativa e aintegral (PID). A equao respeitante a esta ao mista, dada por:

A equao anterior tambm conhecida em controle industrial por algoritmo ouequao ideal.

O diagrama de blocos do algoritmo ideal pode ser observado na Fig.2.24a.Se e(t) for uma funo do tipo rampa unitria, ento a sada u(t) ter o aspectorepresentado na Fig.2.24b.

Fig.2.24a.Diagrama de Blocos de um Controlador Proporcional + Integral + Derivativo(PID)

31


32/341

Fig.2.24bDiagramas indicando a entrada em rampa unitria e a sada do controlador.

(NOTA: Kp = 1 ; Ti= 1 seg. ; Td= 1 seg.).

Na indstria, existem diversas variantes equao do PID ideal, sendo as mais usuais asseguintes:1) Algoritmo PID paralelo

2) Algoritmo PID srie (ou com interao)

32


33/341

Na Fig.2.25, pode-se analisar a evoluo da varivel controlada (processo) e a ao decontrole (grfico inferior) para uma perturbao na sada do sistema controlado.

Fig.2.25.Evoluo da sada do processo controlado atravs das variveis de regulao P, PI

e PID. De notar o erro em regime estacionrio (off-set), evidenciado pela aoproporcional.

Da anlise da Fig.2.25, pode-se verificar que estando o sistema estabilizado no valor de40%, sofre uma perturbao para t = 5segundos, o que faz aumentar a sada at cerca de46 % no caso do sistema que utiliza um controlador proporcional. Como bvio, todo oscontroladores estabilizam o sistema, verificando-se que para t =40segundos, se entroudefinitivamente em regime estacionrio. Deste modo, possvel concluir que:1) Controlador P: obtm-se uma variao mxima da varivel controlada (46%) eestabiliza-seo sistema com um erro em regime estacionrio de 4% (off-set) ao fim de 30 segundos. Apreciso baixa, embora a estabilizao da sada seja relativamente rpida.2) Controlador PI: obtm-se uma variao mxima da varivel controlada (46%) eestabiliza-se o sistema sem erro em regime estacionrio (off-set) ao fim de 40segundos,com oscilaes.A preciso boa, embora a estabilizao da sada seja obtida ao fim de bastante tempo.

33


34/341

3) Controlador PID: obtm-se uma variao mxima da varivel controlada (45%) inferiorao dos controladores P e PI. A sada do sistema estabiliza-se sem erro em regimeestacionrio (off-set) ao fim de aproximadamente 27 segundos e com oscilaes demenor amplitude que as obtidas com ao PI. Portanto, este controlador permite obteruma estabilizao mais rpida e com erro em regime estacionrio nulo.NOTA: Deve-se notar que, embora em geral o controladorPID permita obter os melhoresresultados, na prtica existem processos que devido s suas caractersticas dinmicas,desaconselham a utilizao da ao derivativa (D). o caso, por exemplo, do controle de

vazo.

2.6 Controladores Analgicos

2.6.1 IntroduoAo longo deste sculo, foram surgindo diversos tipos de controladores analgicos cada vez maissofisticados, com especial destaque para os pneumticos numa primeira fase e que de certaforma, inauguraram a era moderna do controle automtico industrial. Para alm dos controladorespneumticos, que eram geralmente utilizados no controle de processos industriais (nvel,temperatura, vazo, etc.), os controladores hidrulicos foram tambm ganhando destaqueespecialmente no controle de posio e velocidade (Ex. controle do passo das hlices e do ngulo

do leme dos navios, velocidade de rotao dos motores, etc.). No entanto, com o avano datecnologia eletrnica, numa primeira fase analgica e mais recentemente digital, esta tecnologiaganhou uma tal dimenso que hoje em dia a grande maioria das aplicaes recorre unicamente acontroladores eletrnicos do tipo analgico e/ou digital.

2.6.2 Controladores EletrnicosOs controladores eletrnicos analgicos atuais utilizam em larga escala um componente ativodesignado por"Amplificador Operacional". As possibilidades de efetuar montagens com estescomponentes so bastante elevadas devido s sua versatilidade de aplicao. No campoespecfico do controle industrial, so muito utilizadas (entre outras), as seguintes montagenstpicas:- Amplificador diferencial (ponto de soma)- Amplificador inversor (ao proporcional)- Amplificador integrador (ao integral)- Amplificador diferenciador (ao derivativa)- Amplificador somador (soma de vrias aes de controle)

34


35/341

Controlador proporcional -A montagem tpica do controlador proporcional est representada naFig.2.26a. De acordo com o esquema, teremos:

Em que Vs(0), corresponde tenso sada do controlador para t=0. O ajuste de Kp efetuadoatravs do potencimetro R1. O circuito inversor, utilizado para inverter o sinal de sada doamplificador inversor, de modo a que Voutseja positivo quando a tenso de erro VEfor positiva(VE>0).

Controlador Eletrnico PI -A montagem tpica deste controlador, baseia-se essencialmente numamplificador de ganho, amplificador integrador e amplificador somador para efetuar a soma dasaes P e I. O esquema tpico deste controlador, est representado na Fig.2.26b.

Deste modo, a funo de transferncia relativa ao controlador PI eletrnico, ser dada por:

NOTA: Para obterVoutpositivo, teramos que introduzir um inversor na sada do controlador.

Fig.2.26aEsquema simplificado de um controlador eletrnico proporcional.

35


36/341

Fig.2.26bEsquema simplificado de um controlador eletrnico analgico PI.

Controlador eletrnico PID - A montagem tpica deste controlador, baseia-se essencialmenteem: amplificador de ganho, amplificador integrador, amplificador diferenciador e amplificadorsomador para efetuar a soma das aes P, I e D. O esquema tpico deste controlador, estrepresentado na Fig.2.27. Deste modo, a funo de transferncia do controlador PID eletrnico,ser dada por:

NOTA: Para obter um Voutpositivo, teramos que introduzir um inversor na sada do controlador.

36


37/341

Fig.2.27Esquema simplificado de um controlador eletrnico analgico PID.

2.7 Reguladores Digitais As aes de controle num regulador digital so inteiramente realizadas por programas(software), executados em microprocessadores dedicados. Estas aes so calculadasnumericamente de modo a reproduzir as aes de controle contnuas ou analgicas anteriormenteapresentadas. Assim, vamos descrever de uma forma resumida a forma de implementao dastrs aes mais importantes (proporcional, integral e derivativa) num regulador ou controladordigital.

Ao proporcional No programa de regulao, o erro geralmente calculado em percentagemdo valor total da gama (escala de medida), ou seja:

37


38/341

conveniente que o erro seja expresso em percentagem do valor total da gama de medida. Destemodo, todos os ganhos so determinados em funo do erro que uma percentagem da gama.Assim, o erro determina uma alterao da sada expressa tambm em percentagem do valor totalda escala.No programa de computador, o erro poderia ser calculado da seguinte forma:

Em que:

A ao de controle proporcional ser dada por:

Em que P0 o valor da sada do regulador para um erro nulo.

Em termos de programao, teramos:

Em que:ROUT= valor Maximo da escala de sada do reguladorPOUT= Sada correspondente ao proporcional

38


39/341

Ao de controle integral A ao de controle integral dada por:

Em que P(0) o valor da ao integral no instante inicial.Conforme conhecido da anlise numrica, o integral pode ser obtido atravs do mtodo deintegrao retangular, que corresponde a fazer a seguinte aproximao:

Em que:

Em termos de programao, iramos ter:

Em que:

Existem diversas formas alternativas de calcular a ao integral. Uma das formas mais usuaisconsiste em utilizar integrao trapezoidal.

Ao derivativa A ao de controle derivativa, dada por:

39


40/341

Uma forma possvel de calcular a derivada consiste em fazer a seguinte discretizao, tambmconhecida pela aproximao de Euler:

Assim, em termos de programao, teramos:

Ao de controle PID A ao de controle PID, pode ser programada recorrendo soma dastrs aes de controle anteriormente apresentadas.Assim, teramos:

Este pseudocdigo pode ser programado numa linguagem especfica (FORTRAN, BASIC, C,etc...) e introduzido na memria do controlador digital, a fim de ser executado em tempo real.

2.8 Ajuste timo dos Controladores IndustriaisExistem muitos mtodos na literatura especializada para efetuar o ajuste automtico dos

parmetros dos controladores. Pelo seu carter histrico, vamos apresentar o mais conhecido dosmtodos de ajuste de controladores, desenvolvido por Ziegler e Nichols (1941), e que conhecidopor 2 mtodo de Ziegler-Nichols.

2.8.1 Mtodo baseado na Sensibilidade Crtica (2 Mtodo)

40


41/341

Este mtodo faz uso de uma curva de resposta tpica do sistema em anel fechado, de acordo como esquema representado na Fig.2.28. Neste mtodo, admite-se um mximo sobre-impulso(overshoot) de 25% na sada do processo c(t), ou seja:

Fig.2.28.Sistema de controle proporcional em Malha fechada.

Fig.2.29a.Resposta a um degrau unitrio, com um mximo de 25% de mximo sobre-impulso ( Mp).

41


42/341


43/341

NOTA: Os valores desta tabela 2.2 so iniciais e consideram que o controlador PID se baseia naexpresso ideal ou srie. No se aplicam a todos os tipos de controladores PID existentes naindstria. (Fonte: Expertune).Hoje em dia, j existem programas comerciais para computador que permitem efetuar o ajusteautomtico dos parmetros dos controladores, aplicveis a uma vasta gama de marcas e demodelos.

2.9 Exemplo de Aplicao IndustrialNum sistema de regulao, pretende-se controlar a temperatura da gua sada de um trocadorde calor, com escala do transdutor de medida [0 ; 200] C (Fig.2.30). Admita que o valor desejadopara regulao 70C, e que o sistema de medida fornece um valor de 30C quando a vlvula deregulao do tipo pneumtico est toda aberta (Presso = 3 psi na sada do controlador) e quepara 110C est toda fechada (Presso = 15 psi na sada do controlador).Deste modo, determine a B.P. (banda proporcional), do controlador.

Resoluo:Diz-se neste caso que a vlvula do tipo ar para fechar, ou seja vai fechando medida queaumenta a presso de regulao. Assim, a Banda Proporcional, seria dada por:

Se por exemplo quisssemos ter uma B.P. =100%, ento teramos a seguinte variao total datemperatura controlada de 100 C em torno do set-point(70 C), ou seja:

43


44/341

Fig.2.30.Sistema de regulao pneumtica de temperatura.

Na Fig.2.31, esto representadas as retas correspondentes s B.P. de 0%, 40% e 100%. Daanlise destas retas, podemos verificar que para um valor de B.P de 0%, a variao de erro nula

em torno da varivel controlada (70 C), pelo que teremos uma reta vertical. Para esse caso, oganho proporcional Kp, dado que o inverso da B.P. teria que ser infinito, o que no possvel deobter na prtica. Deste modo, ir existir sempre um erro em regime estacionrio para um sistemacontrolado atravs de um controlador com ao proporcional. Este erro designado por erroesttico ou off-set.Por outro lado, para uma B.P.=100%, podemos verificar que a vlvula no abre totalmente pois ovalor mnimo da gama do sensor de temperatura 0 C e no 30C conforme indicado naexpresso anterior. Para a B.P. de 40% temos uma banda de erro de 40C em torno do set-pointde 70 C, ou seja, uma variao total de 80 C para a variao total da sada do controlador (3-15psi). Esta gama de valores corresponde a uma gama de variao de (0 100%) de abertura davlvula de regulao.O ganho proporcional Kp o inverso da B.P. sendo dado por:

Podamos tambm obter este valor a partir da B.P. Assim, teramos:

44


45/341

Da anlise da equao que rege o funcionamento do controlador proporcional, verifica-se que aao de regulao s se altere caso o erro tambm varie. Assim, quando o erro estabilizar numdeterminado valor a ao de regulao ir igualmente estabilizar e manter-se constante. Isto querdizer que a ao de regulao mantm a sua ao corretiva constante, caso o erro se mantenhaconstante, mesmo que a sada do processo se afaste do valor de ajuste ou set-point.Neste caso, diz-se que o sistema exibe um determinado erro em regime estacionrio ou off-set.Deste modo, necessrio ter um certo cuidado no ajuste da B.P. do controlador de modo a evitaroscilaes muito bruscas ou aes de resposta bastante lentas.Vamos exemplificar atravs de um exemplo muito simples a forma de ajuste da B.P. e o problema

do off-setcaracterstico do controlador proporcional.

Fig.2.31.Grficos de evoluo das B.P. de 0%, 40% e 100%, para o sistema de regulao de

temperatura.

Considere um reservatrio que recebe gua quente e fria. A temperatura da gua na sada dotanque regulada por um controlador de temperatura que atua sobre a vlvula de alimentao degua fria. No equilbrio resultante da mistura de vazo de gua quente (100 litros/h; 80 C) e degua fria (100 litros/h; 20 C), ir resultar:

45


46/341

Considere-se que a B.P. foi ajustada de tal maneira que para cada 1C de erro de temperaturarelativamente temperatura desejada (50C), a vlvula de gua fria recebe um sinal docontrolador que faz variar a vazo de 10 l/h.Considere-se agora que devido a uma perturbao na gua na sada baixou para 48C. Como ocontrolador est ajustado para 50C, vai dar origem a um sinal para a vlvula de modo que esta

diminua a vazo de gua fria de 20 l/h, pelo que este ir passar para 80 l/h. Neste caso, a novatemperatura de equilbrio resultante da mistura ser dada por:

A temperatura de equilbrio passa agora para 53C. Deste modo, o controlador vai aumentar avazo de gua fria em 30 l/h, pelo que este ir passar para 130 l/h. Neste caso, a novatemperatura de equilbrio resultante da mistura ser dada por:

Como se podem ver os erros de temperatura esto a aumentar, o que significa que o ganho docontrolador excessivo, pelo que dever ser reduzido de modo a ir reduzindo aos poucos asdiferenas de temperatura e, por conseguinte as oscilaes na temperatura regulada.

Suponhamos agora que a temperatura de gua quente passou de 80C para 90C. Deste modoaplicando o raciocnio anteriormente apresentado, iramos obter as variaes da vazo de guafria e de temperatura de mistura para o ganho de 5 l/h por cada erro de 1C na temperatura dagua de mistura, representadas na Fig.2.32.Da anlise dos grficos da Fig.2.32, verifica-se que por mais tentativas que o controlador faa, atemperatura ir estabilizar num valor diferente de 50C. Verifica-se que o sistema converge parauma temperatura em regime estacionrio de 52.5C, que corresponde a um erro esttico de 2.5C,(off-set). Como evidente este off-setser tanto menor quanto maior for o ganho proporcional Kp.No entanto, somente com ao proporcional no possvel remov-lo completamente, para almde que ao aumentar-se Kp, iro aumentar as oscilaes anteriormente referidas. Estas oscilaesso altamente indesejveis em termos de regulao. Deste modo, a soluo mais usual consisteem adicionar ao integral ao controlador de modo a remover o erro em regime estacionrio.

46


47/341

Fig.2.32.Evoluo do caudal e da temperatura de gua fria quando o caudal de gua quente sofre

uma variao de +10C.

Adio de ao integral ao controlador proporcionalConforme visto anteriormente, define-se tempo integral Ti como sendo o tempo que a aointegral demora a atingir igual valor da ao proporcional. Devido a esta caracterstica, emdiversos controladores aparece a designao de minutos por repetio M.P.R.(NOTA: Ti normalmente expresso em segundos ou em minutos).Existe uma outra unidade de ajuste da ao integral que o inverso do tempo integral, designadaporRepeties Por Minuto R.P.M. Esta unidade definida da seguinte forma:

47


48/341

Vamos agora supor que num sistema de regulao PI de temperatura, o set-point 100C, a BP=75% e que surge bruscamente um erro de 25C, ou seja, que a temperatura baixou para 75C.De acordo com a reta de regulao representada na Fig.2.33, devido ao proporcional deganho:

Iremos ter uma ao de regulao de:

Que corresponde a uma abertura da vlvula

Esta abertura corresponde na Fig.2.33 ao ponto B. No entanto devido ao integral, a vlvula ir

continuar a abrir, atingindo ao fim de um certo tempo, por exemplo, o ponto C. Isto quer dizer queo percurso da vlvula ABC corresponde na prtica ao percurso AC.Como se pode ver no grfico, a reta AC corresponde a uma B.P. bastante menor (ganhoproporcional muito maior), que neste caso corresponde a 30%. Por esta razo, o controlador PIpode produzir uma resposta bastante oscilatria.

Anlise da evoluo temporal das aes de controleVamos agora analisar a situao em que temos um grfico de erro a variar no tempo de acordocom um diagrama temporal conhecido. Deste modo vamos considerar o exemplo inicial, em que ocontrolador tem como parmetros BP =40% e Ti=20 s. Considere igualmente que surge um errona temperatura da gua sada do tanque, de acordo com o grfico temporal da Fig.2.34.

48


49/341

Fig.2.33Exemplo de aplicao de um controlador com ao PI.

Fig.2.34.Evoluo temporal do sinal de erro entrada do controlador.

Pretende-se determinar a evoluo da sada do controlador PI.

Resoluo:

49


50/341

Da anlise do grfico do erro, verifica-se que:

Logo, de acordo com o grfico da Fig.2.31, verifica-se que estando Tacima de 70C, a presso de

regulao ir subir acima de 9 psi. Portanto este diagrama de erro tem como conseqncia umaumento de presso de ar para a vlvula de modo a que esta feche uma determinada vazo devapor a fim de baixar a temperatura da gua. Deste modo, teremos:

1) Ao proporcional (P) (NOTA: Considere neste caso que Kp=1.2 psi/C.)Trao [0 30 s]

Trao [30 60 s]

Trao [60 80 s]Para t =90s a ao proporcional de 9 psi, visto que o erro nulo.

Concluso: o grfico da ao proporcional do mesmo tipo do grfico do erro visto que Up proporcional ao erro.

2)Ao integral (I)Trao [0 30 s]

50


51/341

Trao [30 60 s]

Trao [60 80 s]Neste caso, para simplificar os clculos vamos considerar que o eixo dos tempos deslocadopara t =60seg. Deste modo, obtm-se:

Na Fig.2.35 est representado o grfico de evoluo das aes de regulao P, I bem como asoma da ao de regulao P+ I.

Adio de ao derivativaNo caso de se pretender adicionar ao derivativa, com Td=6 seg., teramos:

3) Ao derivativa (D)Trao [0 30 s]

Trao [30 60 s]

Trao [60 80 s]

51


52/341

Neste caso o grfico das aes de regulao P, I e D bem como da ao PID est representadona Fig.2.36.

Fig.2.35.Evoluo das aes de regulao P, I e PI para o exemplo anterior.

52


53/341

Fig.2.36.Evoluo das aes de regulao P, I, D e PID para o exemplo anterior.

2.10Malhas de Controle

53


54/341

2.10.1 IntroduoA malha de controle a realimentao negativa (feedback) convencional com entrada nica e sadanica (single input-single output) o ncleo da maioria das estruturas de controle de processo.Porm, ultimamente, foram desenvolvidas estruturas mais complexas que podem, em algunscasos, melhorar significativamente o desempenho do sistema de controle.A maioria das malhas de controle possui uma nica varivel controlada. A minoria dos sistemasmais complexos requer o controle mais avanado, envolvendo mais de uma varivel, ora paramanipular mais de um elemento final de controle, ora para monitorar mais de uma varivel

controlada. Estes sistemas, que so repetidos freqentemente com pequenas modificaes, soconhecidos como sistemas unitrios de controle, sistemas estruturados de controle ou sistemasde controle multivarivel. Eles so clssicos e podem ser disponveis em instrumentos especiais,com as mltiplas funes para atender as aplicaes mais complexas, facilitar a instalao,manuteno e operao.Cada sistema unitrio de controle encontra sua aplicao especifica. A caracterstica comum dossistemas que so manipuladas e medidas muitas variveis simultaneamente, para seestabelecer o controle, no menor tempo possvel e com o melhor rendimento do processo.Sero tratados aqui e agora os conceitos e smbolos dos controles estruturados, que podem servircomo blocos constituintes de um projeto completo de instrumentao. O controle pode serimplementado atravs das seguintes estratgias:a) Controle Contnuo Linear Realimentao negativa Cascata Preditivo antecipatrio Relaob) Controle com sadas mltiplas Balano de cargas Faixa divididac) Malhas redundantes Reserva (backup) redundante Tomada de malha integral Controle de posio da vlvula

2.10.2 Realimentao negativaO objetivo do controle com realimentao negativa controlar uma varivel medida em um pontode ajuste. O ponto de ajuste nem sempre aparente ou facilmente ajustvel. Os estadosoperacionais so automticos e manuais. Os parmetros operacionais so o ponto de ajuste (emautomtico) e a sada (em manual).Os valores monitorados so o ponto de ajuste, a medio e a sada. (monitorar no significanecessariamente indicar.)A realimentao negativa mais um conceito do que um mtodo ou um meio. No sistema comrealimentao negativa sempre h medio (na sada), ajuste do ponto de referncia, comparaoe atuao (na entrada).

A sada pode alterar as variveis controladas, que pode alterar a varivel medida. O estado da

54


55/341

varivel medida realimentado para o controlador para a devida comparao e atuao.

Fig.2.37.Esquema da realimentao negativa.

Em resumo, esta a essncia do controle realimentao negativa. irrelevante se h seiselementos na fig.2.38 e apenas um na vlvula auto-regulada de presso fig.2.39. Na vlvula auto-operada, os mecanismos esto embutidos na prpria vlvula, no h display e os ajustes sofeitos de modo precrio na vlvula ou nem so disponveis. Na malha de controle convencional, osinstrumentos podem ter at circuitos eletrnicos microprocessados. irrelevante tambm se asvariveis medida e manipulada so as mesmas na malha de vazo ou diferentes na malha depresso. O conceito de controle a realimentao negativa, independente do meio ou mtodo desua realizao.

55


56/341

Fig.2.38.Malha de controle de vazo.

Fig.2.39. Reguladora de presso.

Na malha de controle de vazo da Fig.2.38, a vazo sentida pela placa (FE), o sinal transmitido (FT), extrada a raiz quadrada (FYA) e finalmente chega ao controlador (FIC).Este sinal de medio comparado com o ponto de ajuste (no mostrado na figura) e o

controlador gera um sinal (funo matemtica da diferena entre medio e ponto) que vai para avlvula de controle (FCV), passando antes por um transdutor corrente para pneumtico (FY-B),que compatibiliza a operao do controlador eletrnico com a vlvula com atuador pneumtico. Aatuao do controlador tem o objetivo de tornar a medio igual (ou prxima) do ponto de ajuste.Na vlvula auto-regulada acontece a mesma coisa, porm, envolvendo menor quantidade deequipamentos. O valor da presso a ser controlado levado para um mecanismo de comparaoque est no atuador da vlvula. No mecanismo h um ajuste do valor da presso a ser controlado.Automaticamente a vlvula vai para a posio correspondente presso ajustada.Nos dois sistemas sempre h:1. medio da varivel controlada2. ajuste do valor desejado3. comparao entre medio e ajuste4. atuao para tornar medio igual ao ponto de ajuste. Enquanto a medio estiver igual ao

56


57/341

ponto de ajuste (situao ideal), a sada do controlador est constante (cuidado! No igual azero!). S haver atuao (variao na sada) quando ocorrer diferena entre medio e ponto deajuste.A maioria absoluta dos sistemas de controle se baseia no conceito de realimentao negativa.Embora seja lento e susceptvel oscilao, ele o mais fcil de ser realizado.A minoria dos sistemas utiliza outras estratgias de controle ou combinao de vrias malhas arealimentao negativa. O advento da instrumentao microprocessada (chamada estupidamentede inteligente) permite a implementao econmica e eficiente de outras tcnicas de controle.

2.10.3 Controle Cascata

2.10.3.1 IntroduoO controle cascata permite um controlador primrio regular um secundrio, melhorando avelocidade de resposta e reduzindo os distrbios causados pela malha secundria. Uma malha decontrole cascata tem dois controladores com realimentao negativa, com a sada do controladorprimrio (mestre) estabelecendo o ponto de ajuste varivel do controle secundrio (escravo). Asada do controlador secundrio vai para a vlvula ou o elemento final de controle. O controlecascata constitudo de dois controladores normais e uma nica vlvula de controle, formandoduas malhas fechadas. S til desdobrar uma malha comum no sistema cascata quando forpossvel se dispor de uma varivel intermediria conveniente mais rpida.A Fig. 2.40 um diagrama de blocos do conceito de controle de cascata, mostrando as medies(primaria e secundaria), o ponto de ajuste do primrio estabelecido manualmente e o ponto deajuste do secundrio estabelecido pela sada do controlador primrio.

Fig.2.40.Diagrama de blocos do controle cascata.

A caracterstica principal do controle cascata a sada do controlador primrio ser o ponto deajuste do secundrio. O controlador primrio cascateia o secundrio.

57


58/341

A Fig.2.41 um exemplo de um controle convencional de temperatura, envolvendo uma nicamalha. Na Fig.2.42 tem-se controle de cascata. ( interessante notar como um esquema simplespode esconder fenmenos complexos. Por exemplo, eventualmente a reao da figura pode serexotrmica e nada percebido)

Fig.2.41.Controle convencional de temperatura.

58


59/341

Fig.2.42.Controle de cascata temperatura temperatura.

No controle cascata a temperatura do vaso (mais lenta) cascateia a temperatura da jaqueta (maisrpida). Quando houver distrbio no vapor fazendo a temperatura da jaqueta cair, o controladorsecundrio corrige esta variao mais rapidamente que o controlador primrio.

59


60/341

Fig.2.43.Controle Cascata: controlador de nvel estabelece ponto de ajuste no de vazo

2.10.3.3 ConceitoO controle em cascata divide o processo em duas partes, duas malhas fechadas dentro de umamalha fechada. O controlador primrio v uma malha fechada como parte do processo.Idealmente, o processo deve ser dividido em duas metades, de modo que a malha secundariaseja fechada em torno da metade dos tempos de atraso do processo.Para timo desempenho, os elementos dinmicos no processo devem tambm ser distribudoseqitativamente entre os dois controladores.

fundamental a escolha correta das duas variveis do sistema de cascata, sem a qual o sistemano se estabiliza ou no funciona.1. a varivel primaria deve ser mais lenta que a varivel secundaria.2. a resposta da malha do controlador primrio deve ser mais lenta que a do primrio.3. o perodo natural da malha primria deve ser maior que o da malha secundaria.4. o ganho dinmico da malha primria deve ser menor que a da primria.5. a banda proporcional do controlador primrio deve ser mais larga que a do controladorsecundrio.6. a banda proporcional do controlador primrio deve ser mais larga que o valor calculado para oseu uso isolado,Quando os perodos das malhas primrias e secundrias so aproximadamente iguais, o sistemade controle fica instvel, por causa das variaes simultneas do ponto de ajuste e da medio da

malha secundria.

60


61/341

Usualmente, o controlador primrio P + I + D ou P + I e o secundrio P + I.As combinaes tpicas das variveis primrias (P) e secundaria (S) no controle em cascata so:temperatura (P) e vazo (S), composio (P) e vazo (S), nvel (P) e vazo (S), temperatura (P) epresso (S) e temperatura lenta (P) e temperatura rpida (S).Quando o controlador secundrio de vazo e recebe o sinal de um transmissor de pressodiferencial associado a placa de orifcio, deve se usar o extrator de raiz quadrada, para linearizar osinal da vazo, a no ser que a vazo esteja sempre acima de 50% da escala.Quando se tem controle de processo em batelada ou quando o controlador secundrio est muitodemorado, pode ocorrer a saturao do modo integral. Um modo de se evitar esta saturao

fazendo uma realimentao externa do sinal de medio do controlador secundrio ao circuitointegral do controlador primrio. Em vez do circuito integral receber a realimentao do sinal desada do controlador, ele recebe a alimentao do sinal de medio do controlador secundrio.

2.10.3.3 ObjetivosH dois objetivos do controle cascata:1. eliminar os efeitos de alguns distrbios (variaes da carga prximas da fonte de suprimento)2. melhorar o desempenho dinmico da malha de controle, reduzindo os efeitos do atraso,principalmente do tempo morto.Para ilustrar o efeito da rejeio do distrbio, seja o refervedor (reboiler) da coluna de destilao.Quando a presso de suprimento do vapor aumenta, a queda da presso atravs da vlvula decontrole ser maior, de modo que a vazo de vapor ir aumentar. Com o controlador detemperatura convencional, nenhuma correo ser feita at que a maior vazo de vapor aumentea temperatura na bandeja 5. Assim, o sistema inteiro perturbado por uma variao da pressodo suprimento de vapor.Com o sistema de controle cascata, com a temperatura da coluna cascateando a vazo de vapor,o controlador de vazo do vapor ir imediatamente ver o aumento na vazo de vapor e ir fechara vlvula de vapor para fazer a vazo de vapor voltar para o seu ponto de ajuste. Assim orefervedor e a coluna so pouco afetados pelo distrbio na presso de suprimento do vapor.Outro sistema de controle cascata envolve um processo com resfriamento de um reator, atravsda injeo de gua na jaqueta. A controlador da temperatura do reator o primrio; o controladorda temperatura da jaqueta o secundrio. O controle de temperatura do reator isolado pelosistema de cascata dos distrbios da temperatura e presso d'gua de resfriamento da entrada.

Este sistema mostra como o controle cascata melhora o desempenho dinmico do sistema. Aconstante de tempo da malha fechada da temperatura do reator ser menor quando se usa osistema cascata.

2.10.3.4 VantagensAs vantagens do sistema de cascata so:1. os distrbios que afetam a varivel secundaria so corrigidos pelo controlador secundrio, que mais rpido, antes que possam influenciar a medio primaria.2. o atraso de fase existente na parte secundaria reduzido pela malha secundaria, melhorando avelocidade de resposta da malha primaria.3. a malha secundaria permite uma manipulao exata da vazo de produto ou energia pelo

controlador primrio.

61


62/341

2.10.3.5 Saturao do modo integralO controle em cascata utilizado para eliminar os efeitos de pequenos distrbios no processo.Em aplicaes do controle em cascata sempre h a possibilidade de haver a saturao dos doiscontroladores. O problema da saturao do modo integral criado pela excurso da carga doprocesso alm da capacidade da vlvula de controle. A vlvula ir ficar saturada em seu limiteexterno, 0 ou 100%, totalmente fechada ou aberta, fazendo com que haja um desvio permanenteentre a medio e o ponto de ajuste do controlador primrio. Se no for tomada nenhumaprovidncia, o controlador primrio ir saturar.Como conseqncia, o controlador secundrio tambm ir saturar.

Uma soluo simples e prtica utilizar a medio da varivel secundaria como realimentaoexterna para o modo integral do controlador primrio. Convencionalmente, o controlador primrio realimentado pela sua prpria sada que o ponto de ajuste do controlador secundrio. Quandoo controlador secundrio estiver em operao normal, o seu ponto de ajuste coincide com amedio e o funcionamento da malha igual ao modo convencional. Se houver uma diferenaentre a medio e o ponto de ajuste do secundrio, a ao integral do controlador primrio ficaestacionria e s restabelecida quando a malha secundaria voltar a normalidade.O que se fez, realmente, nessa nova configurao foi incluir a resposta dinmica da malhasecundaria dentro do circuito integral do controlador primrio. A ao integral do controladorprimrio pode ser maior que a usual pois qualquer atraso ou variao na resposta da malhasecundaria corrigido pela ao do controlador primrio.H ainda uma vantagem adicional: o controlador primrio raramente precisa ser transferido paramanual. Quando o controlador secundrio estiver em manual, o controlador primrio no podersaturar, pois quebrada a realimentao positiva para o seu modo integral.Dois requisitos so essenciais ao novo sistema:1. o controlador primrio deve ter disponvel a opo de realimentao externa ao modo integral.2. o controlador secundrio comum, porm, no pode haver desvio permanente entre suamedio e seu ponto de ajuste. Ou, em outras palavras, o controlador secundrio deve ter,obrigatoriamente, a ao integral, para eliminar sempre o desvio permanente.

62


63/341

2.10.3.6 Aplicaes

Reator com temperatura e pressoSeja a malha de controle de temperatura do produto de um reator, feito atravs da manipulaoda vazo de entrada de vapor.Quando a presso do vapor cai, o seu poder de aquecimento diminui. Para uma mesma vazo,tem-se uma diminuio da temperatura do produto. Essa diminuio do efeito de aquecimento dovapor s sentida pela malha de temperatura. O elemento primrio sentir a diminuio datemperatura e ir aumentar a abertura da vlvula. Essa correo demorada. Nesse intervalo de

tempo, se houver a recuperao da presso original, certamente haver um super aquecimento.Essa oscilao pode se repetir indefinidamente, com o processo nunca se estabilizando, pois asua inrcia muito grande. O controle do processo sensivelmente melhorado com o controle emcascata.O controle de temperatura do reator anterior melhorado colocando-se um outro controlador depresso na entrada da alimentao de vapor. Agora, tem-se o controlador de presso cascateadopelo controlador de temperatura. A sada do controlador de temperatura, chamado de primrio,estabelece o ponto de ajuste do controlador de presso, chamado de secundrio. Nessa novaconfigurao, quando houver a diminuio da presso de vapor, mesmo com a vazo constante, ocontrolador de presso ir abrir mais a vlvula, para compensar a menor eficincia do vapor. Asvariaes de presso da alimentao do vapor so corrigidas rapidamente pela malha de pressoe em vez de serem corrigidas lentamente pela malha de temperatura.

Reator com temperatura cascateando temperatura possvel se ter uma varivel cascateando outra varivel da mesma natureza, por exemplo,temperatura cascateando a temperatura.Uma aplicao tpica a do controle de temperatura de reator, com aquecimento de vapor emjaqueta externa. As variaes da temperatura do produto so mais lentas e demoradas que asvariaes da temperatura da jaqueta de aquecimento. Nessas condies, pode-se usar atemperatura do produto como a varivel primaria e a temperatura do aquecimento externo como asecundaria.Quando houver variaes na temperatura da jaqueta, a correo feita diretamente pelocontrolador secundrio.

63


64/341

Fig.2.44.Controle de temperatura convencional

Fig.2.45.

Controle cascata temperatura presso

64


65/341

2.11Controle de Faixa Dividida

2.11.1 ConceitoO objetivo de estender ou dividir a faixa alterar a faixa normal de um elemento final da que eledispe, aumentando ou diminuindo-a.Este controle chamado de split range. Por exemplo, em vez de a vlvula operar entre 20 e 100kPa (normal), ela opera entre 20 e 60 kPa (metade inferior) ou entre 60 e 100 kPa (metadesuperior).O controle de faixa dividida ou de split range consiste de um nico controlador manipulando dois

ou mais elementos finais de controle. Neste controle, mandatrio o uso do posicionador davlvula. Os posicionadores so calibrados e ajustados e as aes das vlvulas so escolhidaspara que os elementos finais de controle sejam manipulados convenientemente.Por exemplo, uma vlvula pode operar de 0 a 50% do sinal e a outra de 50 a 100% do sinal desada do controlador.

2.11.2 Aplicaes

Aquecimento e resfriamento

A Fig.2.47 mostra um esquema de controle de temperatura para um processo batelada (batch),usando um tanque de reao qumica que requer a temperatura de reao constante. Paracomear a reao o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vazo de vapor atravs daserpentina. Depois, a reao exotrmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requeruma vazo de fluido refrigerante, atravs de outra (ou da mesma) serpentina.O controle suave da temperatura conseguido pelo seguinte sistema bsico:1. a sada do controlador de temperatura varia gradualmente quando a temperatura do tanqueaumenta2. quando o controlador solicita que a vlvula de aquecimento esteja totalmente aberta, a vlvulade resfriamento deve estar totalmente fechada;3. quando o controlador solicita que a vlvula de resfriamento esteja totalmente aberta, a vlvulade aquecimento deve estar totalmente fechada;4. no meio do caminho, ambas as vlvulas devem estar simultaneamente fechadas, de modo que

no haja nem aquecimento nem resfriamento.5. cada vlvula se move de modo contrrio e seqencial outra.

65


66/341

Fig.2.46.Sistema de controle de faixa dividida

Temperatura com dois combustveisTambm h aplicaes envolvendo o aquecimento por dois combustveis, onde a primeira vlvulaA (do combustvel mais barato) atuada pela sada do controlador, indo de 0 a 100% de abertura.Depois de totalmente aberta, a segunda vlvula B (do combustvel mais caro) comea a atuar,

indo tambm de 0 a 100%. Neste caso, pode-se ter as duas vlvulas totalmente fechadas (noincio do processo) ou totalmente abertas, (no mximo aquecimento) simultaneamente.

Fig.2.47.Sistema com dois Combustveis

66


67/341

Fig.2.48.Controle de Faixa Dividida

2.12Balano de Cargas

O objetivo do controle com balano de carga permitir a regulao da sada comum (somada) devrias malhas. Os estados operacionais so qualquer combinao dos estados normais deoperao das malhas individuais. Qualquer malha pode estar em manual e a malha externa aindatenta manter a vazo total em seu ponto de ajuste. Os parmetros operacionais so os de todosos controladores, incluindo o controlador mais externo que balanceia a carga. (Isto no quer dizerque todas as combinaes sejam teis.)

67


68/341

Fig.2.49.Controle de balano de cargas

2.13Controle de malhas redundantesO objetivo do controle com malhas redundantes fornecer controle mesmo quando h falha deuma malha, ou fazer controladores operarem em tempos diferentes, atravs da incluso de aesde controle ou ajustes de ganho ou em pontos diferentes, atravs de diferentes pontos de ajuste.

68


69/341

Fig.2.50.Backup simples, malhas redundantes.

Fig.2.51.Malhas redundantes com ajustes de ganhos diferentes (controlador com maior ganho atua

primeiro)

A ao integral torna o controlador mais lento, de modo que um controlador PI mais lento queum controlador P. A ao derivativa torna o controlador mais rpido, de modo que um controladorPID mais rpido que um controlador PI.Controlador com ganho grande (banda proporcional estreita) mais rpido que um com ganhopequeno.

69


70/341

Fig.2.52.Malhas redundantes, com aes de controle diferentes (controlador P atua antes do

controlador PI)

2.14Controles chaveadosOs conceitos de controle chaveados so divididos em1. seletivo2. seletor (alta ou baixa)3. estrutura varivelO controle seletivo Fig.2.53 envolve um chaveamento na entrada do controlador, que recebe osinal de dois transmissores de anlise. Quando um deles falha, o outro assume a funo de enviaro sinal de medio.O controle seletor Fig.2.54 envolve dois (ou mais) controladores com o chaveamento na sada,pois h um nico elemento final de controle. Em operao normal o controlador de vazo (FIC)opera; quando o nvel se aproxima de um valor crtico (muito baixo), automaticamente o

controlador LIC assume o controle. Nesta configurao, necessria a proteo contra saturaodo modo integral dos controladores, pois o controlador que est fora de controle, mas ligado, podesaturar se tiver a ao integral.O controle de estrutura varivel Fig.2.54 permite ao controlador TIC controlar o processo com umavlvula TVA, at que a presso atinja valor perigoso. Agora o controlador de presso assume ocontrole da vlvula principal e o controlador de temperatura atua na vlvula secundaria, TVB.Tambm necessria a realimentao externa ao modo integral ao PIC, para evitar a saturaoda sada (no necessria a realimentao ao TIC, pois ele sempre est operando).Todo esquema de controle seletor chaveado inclui obrigatoriamente um seletor de sinais.

70


71/341

Fig.2.53.Controle chaveado

Fig.2.54.Controle auto-seletor, com proteo contra saturao do modo integral.

2.15Controle Auto-Seletor

71


72/341

2.15.1 ConceitoO controle auto-seletor tambm chamado de controle seletivo, limite, override ou cut-back.H situaes onde a malha de controle deve conhecer outras variveis controladas, por questode segurana e controle. Isto principalmente verdade em plantas altamente automatizadas, ondeo operador no pode tomar todas as decises nas situaes de emergncia, de partida e deparada do processo.

Fig.2.55.Controle auto-seletor entre nvel e vazo do

tanque

O controle auto-seletor uma forma de controle multivarivel, em que a varivel manipulada podeser ajustada em qualquer momento, por uma varivel, selecionada automaticamente entrediversas variveis controladas diferentes.A filosofia do controle auto-seletor a de se usar um nico elemento final de controle manipuladopor um controlador, selecionado automaticamente entre dois ou mais controladores. Tendo-seduas ou mais variveis medidas, aquela que estiver em seu valor crtico assumem o controle do

processo.Outro enfoque de se ver o controle auto-seletor considerar os dois controladores ligados a umanica vlvula de controle. Em condies normais, uma malha comanda a vlvula; em condiesanormais, a outra malha assume automaticamente o controle, mantendo o sistema dentro da faixade segurana. O controle normal cortado apenas durante o perodo necessrio para serestabelecer a segurana do sistema. Quando a condio anormal desaparece, a malha normalassume novamente o controle.

2.15.2 ExemplosO conceito de controle seletivo ou auto-seletor explicado pelo exemplo na Fig.2.56, que mostra

72


73/341

um tanque cujo nvel controlado pela modulao da vlvula de controle na linha de dreno desada. A vazo do dreno do tanque controlada usando-se a mesma vlvula. H duas exignciasdo processo:1. em operao normal, o tanque esvaziado com uma vazo constante, estabelecida nocontrolador de vazo. Vazo muito elevada considerada critica.2. o nvel muito baixo considerado uma situao critica que deve ser evitada. Quando o nvelficar muito baixo, o controlador de nvel entra automaticamente em ao e substitui o controladorda vazo. Quando a vazo tender a aumentar, o controlador de vazo est em ao e tambmcorta o excesso de vazo. Sempre, a vlvula toma a posio menos aberta dos comandos dos

dois controladores.A escolha de qual controlador deve assumir o controle feita automaticamente por um relseletor, que faz uma transio suave de um sinal de entrada para outro. A funo seletora desterel pode ser incorporada ao circuito do controlador.Note que esta configurao totalmente diferente do controle de cascata. No controle de cascata,nvel cascateando a vazo, o ponto de ajuste do controlador de vazo estabelecidoautomaticamente pelo controlador de nvel. Assim, quando o nvel diminui, a sada do controladortambm diminui e o ponto de ajuste do controlador de vazo tambm diminui. No controle decascata, a vazo diminuda continuamente pelo abaixamento do nvel.No controle auto-seletor, a vazo constante e o valor estabelecido externamente pelooperador de processo. Em operao normal, a vazo a varivel controlada e manipulada, aomesmo tempo.Quando o nvel atinge um valor crtico, automaticamente o controlador de nvel assume o controle.A partir deste ponto, a vazo de sada do tanque tende a diminuir com a diminuio do nvel dotanque. Quando o nvel baixo, a varivel controlada passa a ser o nvel e a manipulada contnuasendo a vazo.Outro exemplo de sistema de controle seletivo envolve sistemas com mais de um elementosensor. Os sinais de trs transmissores de temperatura localizados em vrios pontos ao longo deum reator tubular entram em um seletor de alta (HS). A temperatura mais elevada enviada aocontrolador de temperatura cuja sada manipula a gua fria. Assim, este sistema controla o picode temperatura no reator, qualquer que seja o ponto onde ela esteja.Outro exemplo comum o controle de duas vazes de um reator, onde o excesso de um dosreagentes poderia levar a composio no reator para uma regio onde poderia haver exploso.

Assim, vital que a vazo deste reagente seja menor do que alguns valores crticos, relativos aoutra vazo. So usadas medies mltiplas e redundantes da vazo e o maior sinal das vazes usado para o controle. Em adio, se as diferenas entre as medies de vazo excedem emalgum valor razovel, o sistema inteiro ser intertravado, at que a causa da discrepncia sejaencontrada.Assim

Documents

Apostila Autommacao senai