Controle em Cascata
TCA: Controle de Processos 2S / 2012
Prof. Eduardo Stockler Universidade de Braslia
Depto. Engenharia Eltrica
CONTROLE DE UM REATOR (Exemplo)
Realimentao Simples
O Processo
Reao exotrmica no reator A -> B
Reagente A disponvel a uma temperatura baixa
Varivel controlada:
1 Estratgia: MV= fluxo do refrigerante (no forneceu a capacidade de resfriamento necessria)
2 Estratgia: MV= fluxo combustvel pr-aquecedor (vlvula do refrigerante 100% aberta)
Em processo, observado que desviava-se do SP o suficiente para o produto ficar fora das especificaes: Distrbios no reator (variaes temp. refrigerante e fluxo)
Pr-aquecedor (variaes entrada, aquecimento, etc )
Estratgia de Controle
Variao variao variao atuao na MV (combustvel) correo lenta
Melhoria: Variao variao atuao na MV (combustvel)
Controle em cascata: 2 sensores-transmissores, 2 controladores e 1 vlvula
Controlador da varivel controlada (primria): controlador mestre, externo ou primrio
Controlador da varivel secundria: controlador escravo, servo, interno ou secundrio
Controle em Cascata
Controle em Cascata
Ao se projetar estratgias de controle em cascata, a considerao mais importante que
a malha interna (varivel secundria) deve responder mais rapidamente variaes no distrbio e na varivel manipulada do que a
malha externa (varivel primria). Quanto mais rpido melhor.
[Smith & Corripio, 2008]
Controle em Cascata
Consideraes sobre Estabilidade
1 +1,2 1
(0,2 + 1)(3 + 1)( + 1)(4 + 1)( + 1)= 0
Equao caracterstica:
Impondo = = 4,33 % % e = 0,507
Consideraes sobre Estabilidade
1 +
1,2 12(0,2 + 1)(3 + 1)( + 1)(4 + 1)( + 1)
1 +1,5 2
(0,2 + 1)(3 + 1)( + 1)
= 0
Equao caracterstica :
Consideraes sobre Estabilidade
Equao caracterstica da malha secundria 1,5 2
(0,2 + 1)(3 + 1)( + 1)= 0
Impondo = 2 = 17,06 % %
Considerando 2 = 2 (controlador P), via Ziegler-Nichols 2 = 0,52 = 8,53% %
Substituindo 2 = 2 na equao caracterstica para a estratgia em cascata:
= 1 = 7,2 % % e 1 = 1,54
Observa-se um ganho final (limite de estabilidade) e frequncia final maior controle global mais rpido e maior ganho do controlador.
Sintonia dos Controladores
Modos de operao do controlador interno: manual, automtico, cascata
Sintonia de dentro para fora: com todas as malhas em manual, sintoniza-se o controlador mais interno. Aps, deixar em automtico e sintonizar a prxima malha at que todos estejam em operao.
Sintonia dos Controladores
Com TC-101 em manual, sintonizar TC-102 (to rpido quanto possvel)
Verificado sintonia do TC-102 atravs de degrau SP2
Com TC-102 no modo cascata, sintonizar TC-101 e coloc-lo em automtico
Mtodos de Sintonia do Controlador
1. (controlador primrio) Mtodo de MF de Ziegler-Nichols ou rel (obteno de 1 e 1)
2. (controlador primrio e secundrio) Mtodos da resposta ao degrau na sada de 2 (obteno de 2, 2, 2) e de 1 (obteno de 1, 1, 1)
3. (controlador primrio e secundrio) Mtodo de [Austin, 86] e [Lopez, 03] Aplicar degrau na vlvula e obter 2, 2, 2 e 1
, 1, 1
. Sintonizar controlador secundrio por mtodos convencionais e o primrio por tabela fornecida por [Lopez, 03]
Mtodos de Sintonia do Controlador (2 nveis)
[Lopez, 2003] Faixa de uso da tablea: 2 1 > 0.38
Mtodos de Sintonia do Controlador (2 nveis)
[Lopez, 2003]
Sistema em Cascata de 3 Nveis
No controlador em cascata de 2 nveis, manipula-se a posio da vlvula e no o fluxo de combustvel, que depende da posio da vlvula e da queda de presso atravs da vlvula.
Se a variao da queda de presso for significativa, poder ser adicionado um nvel de controle extra.
A malha mais interna (fluxo) deve ser a mais rpida.
Sintonia: 1. FC-103 (aps, reduz-se a sintonia de cascata de 2 nveis)
2. TC-102
3. TC-101
Sistema em Cascata de 3 Nveis
TROCADOR DE CALOR (Exemplo)
Trocador de Calor
Trocador de Calor
Malha para compensao de variaes do fluxo de vapor.
Malha para compensao de variaes da presso do vapor (prop. temp. e transf. calor).
Controle em Cascata
Distrbios rapidamente corrigidas antes de perturbar a malha mestre
A malha escrava acelera a resposta do processo visto pela malha mestra ( < )
No-linearidades vista pela malha mestra compensada pela malha escrava (ex. vazo da vlvula)
Desvantagens: custo e confiabilidade do sensor da malha escrava
Sintonia Controle em Cascata
Controlador escravo deve ter ganho P alto e ao integral baixa, exceto se a malha escrava for sujeita a grandes perturbaes
Se a malha escrava for FIC, usar PI com TI da ordem de grandeza da
Se a malha escrava for TIC, usar PID com TD da ordem de grandeza da e ao derivativa atuando na PV
Balano na transio
Evitar balano na transio manual/ automtico/ cascata Escravo em manual: SP do escravo deve seguir PV
escravo (PV tracking) evita balano qdo escravo M/A
Escravo em manual ou automtico: sada do mestre seguir SP do escravo (output tracking) evita balano qdo mestre A/C
Mestre em manual: SP do mestre deve seguir PV mestre (PV tracking) evita balano qdo mestre M/A
Saturao do Controlador
Controlador escravo satura e o mestre continua integrando o erro at saturar
O mestre deve ser informado quando o escravo saturar (rastreamento)
Resposta de um Sistema Cascata
Resposta de um Sistema Cascata
Respostas mudana no SP e distrbio para: = 50
1 = 15 2 = 50
Resposta de um Sistema Cascata
Caso real: Indstria de papel
Processo de Controle de Tenso da Folha de Papel
Controle em Cascata
Acionamento Digital Software: Drive ES Starter, Siemens Acionamento: Sinamics S120, Siemens Controlador: PCS7, Siemens
Malha de Controle de Velocidade
Pr-Controle (torque)
Malha de Controle de Corrente
Malha de Controle de Tenso do Papel (3 malha)
Controle Mestre-Escravo
Sistema Calandra
Mestre: malha de velocidade (referncia do processo) Escravo: malha de torque (referncia % torque do mestre)
Referncia da malha de torque (instvel com perda do contato mecnico) Saturao da malha de velocidade
Aplicaes: contato mecnico, diviso de carga, etc.
