Controle em Cascata - ene.unb.br .Estratégia de Controle •Variação 𝑇𝐴 𝑒 variação

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  • 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.