Controlo Avançado de Processos - Técnico Lisboa ... · • 2 Visitas de Estudo: ... • Cópias dos slides das aulas de CAP, ... • Manter a operação próxima do óptimo estabelecido

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CONTROLO AVANCONTROLO AVANÇÇADO DE PROCESSOSADO DE PROCESSOS 2009/20102009/2010

Mestrado Integrado em Engenharia Química

Controlo Avançado de Processos

Carla I. C. Pinheiro

DEQB- Centro de Eng. Biológica e Química, Instituto Superior Técnico, LisboaTelef: 21 8417887 (Ext: 1887), Fax: 21 8419062

E-Mail: [email protected]

Website: https://fenix.ist.utl.pt/disciplinas/cap/2009-2010/1-semestre



Objectivos• Transmitir conceitos e técnicas avançadas de

modelação e simulação dinâmica de sistemas, controlo multivariável e controlo preditivo baseado em modelos, que constituem as bases para o projecto e implementação de sistemas de controlo avançado em processos industriais.

• Projecto e implementação de sistemas de controlo avançado usando “packages” de software comerciais.Em particular são usados o MATLAB® (com as aplicações SIMULINK, Control System Toolbox e Model PredictiveControl Toolbox).

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No final do curso os alunos deverão ser capazes de:

Identificar oportunidades para o uso de técnicas de controlo avançado baseadas em modelos.

Desenvolver um sistema de controlo para um problema típico industrial, e avaliar o seu desempenho e robustez.



Tópicos do Programa1. Introdução. Incentivos para o controlo de processos industriais

e objectivos de controlo. Exemplos. Tutorial de introdução àprogramação em MATLAB ® /Simulink.

2. Modelos dinâmicos de sistemas: contínuos e discretos no tempo, não lineares e lineares. Representações de modelos lineares: espaço de estados e funções de transferência. Transformada–Z. Conversão entre diferentes tipos de modelos. Identificação de modelos de sistemas.

3. Revisão do projecto e dimensionamento de sistemas de controlo convencional PID por realimentação. Funções de transferência em ciclo fechado. Análise de estabilidade. Estrutura de controlo pelo método de síntese directa e pelo método do controlador com Modelo Interno (IMC). Desenho de sistemas de controlo baseados na análise das respostas às frequências.

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Tópicos do Programa (cont.)4. Melhorias no controlo PID por realimentação:

controlo em cascata, controlo previsional e controlo inferencial.

5. Sistemas de controlo em aneis múltiplos e multivariável (MIMO).

6. Técnicas de controlo preditivo baseado em modelos (MPC) para sistemas SISO e MIMO. Controlador DMC – Dynamic Matrix Control.

7. Exemplos de estratégias de controlo para colunas de destilação em contínuo.

E ainda:



• 2 Visitas de Estudo:

Central Termoeléctrica do Carregado: 27 de Outubro 2009

REPSOL (Sines): 17 de Novembro 2009

Tópicos do Programa (cont.)

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Visita de Estudo à REPSOL 2006/2007



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Funcionamento das aulas• 2 Aulas Teórico-Práticas de 2 h / semana

do tipo “hands-on” , na sala Q5.2 do LTI, com um PC para cada aluno.

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Avaliação• Individual: 2 Problemas resolvidos (TPC) em

Matlab®/Simulink nas 2ª e 3ª Semanas de aulas (10%)

• Grupo: Trabalho final de avaliação dividido em 5 partes entregues ao longo do semestre semanalmente ou quinzenalmente (70%)Enunciado entregue dia 6 de Outubro 2009.

• Individual: Seminário (20 min) para apresentação do trabalho com questões no final (20%)



Bibliografia• Cópias dos slides das aulas de CAP, 2009.

• Tutorial de Introdução ao MATLAB, Carla I.C. Pinheiro, DEQ/IST, 2009.

• Tutorial de Introdução ao SIMULINK, Carla I.C. Pinheiro, DEQ/IST, 2009.

• Process Dynamics and Control; Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar and Duncan A. Mellichamp, 2nd Edn., Wiley, 2004.

• Principles and Practice of Automatic Process Control; C.A. Smith and A. Corripio, Wiley, 2006.

• Techniques of Model-Based Control; C. Brosilow and B. Joseph, Prentice Hall PTR, 2002.

• Process Control: A First Course with MATLAB®; P.C. Chau, Cambridge University Press, 2002.

• Process Control. Modeling, Design and Simulation; B.W. Bequette, Prentice-Hall, 2003.

• Process Control:Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance; T.E. Marlin, 2nd Edn., McGraw-Hill, 1990.

• Process Modelling Simulation and Control for Chemical Engineers; W.L. Luyben, McGraw-Hill, 1990.

• Essentials of Process Control; W.L. Luyben, M.L. Luyben, McGraw-Hill, 1997.

• Process Control Systems: Application, Design, and Tuning; F.G. Shinskey, McGraw-Hill, 1996.

• Plantwide Process Control; W.L. Luyben, B.Tyréus, M.L. Luyben, McGraw-Hill, 1998.

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1. Introdução. Incentivos para o controlo de processos industriais e objectivos de controlo. Exemplos.



O que é o Controlo de Processos?

Estratégia para obrigar um sistema a ter um comportamento pretendido, normalmente medindo

variáveis e ajustando outras.

Controlo de ProcessosIndústrias de processos

Alimentar

FarmacêuticaVidro

PolímerosCimento

Refinação Química

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Controlo “Automático” já usado no séc. III BC!

From Wikipedia: In Ctesibius's clepsydra from the 3rd century BC, the human-shaped hour pointer ascends as water flows in. Outflow drives a series of gears that rotates a cylinder bearing hour lengths appropriate for each day's date.

O funcionamento deste relógio de água tinha incluído um esquemaautomático de controlo: paraassegurar um caudal constante das gotas de água na entrada do mecanismo do relógio, era necessário manter constante o nívelde água num reservatório inicial.



Actualmente: Controlo por computador

A potência de cálculo do computador abriu as portas para uma operação óptima do processo e múltiplas aplicações integradas.

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Controlo AvançadoO que é?

• Conjunto de estratégias de controlo automático baseadas em computadores e instrumentação digitais, mais sofisticadas do que o controlo convencional por realimentação com controladores PID.

Quais os objectivos?

• Manter a operação próxima do óptimo estabelecido em condições de segurança.

• Cumprir as especificações das qualidades dos produtos.

• Reduzir custos de capital e de operação no processo industrial.

• Cumprir normas de segurança ambiental.



Diversidade de Sistemas

LABORATÓRIOPRODUTOSBALANÇOS

CONSOLAS de OPERAÇÃO- CONTROLO

AVANÇADO- DMC’s

- SISTEMASDE INFORMAÇÃO

PROCESSO

ARMÁRIOS DE CONTROLO

LIGAÇÃOREMOTA

ETHERNET

(REDE GESTÃO DA PRODUÇÃO)

LCN(REDE LOCAL DE CONTROLO)

- CENTRAL- CENTROS REMOTOS

PERIFÉRICOS

Sistemas de Controlo da Unidade

SALASDE

CONTROLO

MANTUTENÇÃOSEGURANÇA UTILIZADORES

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Funções do computador

SP 45PV 45.5

SP 45PV 45.5

Monitorização:

Gráficos, esquemáticos, históricos, sinalização de alarmes,...

Supervisão:Monitorização, gestão de alarmes, alteração de sequências, sintonização, ...



Funções do computador

D/A, A/D

SP 45PV 45.5

Controlo Digital Directo:

Controlo do processo: recebe a informação, calcula o sinal do controlador e envia-o ao processo para os actuadores.

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Sala de Controlo

Painel de Controlo Convencional (analógico)

Controlo por computador



Automação de processos

Exemplo de umesquemático de umsistema de controlo de processo e automaçãobaseado numa interafcedo tipo “touch screen”para o operador (GEA Liquid Processing)

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Controlo AvançadoPorquê?

• Comportamento dinâmico não linear• Processos complexos de ordem elevada• Interacções multivariáveis• Perturbações frequentes em variáveis não medidas• Variáveis de estado não medidas• Parâmetros incertos e que podem variar no tempo• Grandes atrasos no tempo• “Estados estacionários” instáveis• Limitações físicas dos sensores e actuadores• Modelos rigorosos dos processos muito complexos• Falhas no equipamento…

Processos Químicos Industriais Vários Problemas de Controlo...



Exemplo de tunning não robusto do loop de controlo

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Exemplo de loop de controlo com saturação do actuador



Exemplo• Falha de um sistema de controlo de

uma coluna:

http://powerlink.powerstream.net/002/00174/051222bp/BPAnimations.asx

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O que devemos controlar num processo?

Controlo de Supervisão: em primeiro lugar é necessário controlar as variáveis que permitem directamente assegurar o óptimo económico de operação (variáveis controladas primárias):

Controlar os constrangimentos activos.Seleccionar variáveis controladas sem constrangimentos por forma a que com “set points”constantes se consiga manter o processo próximo do seu “óptimo” apesar das perturbações e dos erros de implementação (Skogestad, 2004).



O que devemos controlar num processo?Controlo Regulatório: adicionalmente é necessário controlar outras variáveis de modo a que se consiga um controlo regulatório satisfatório (variáveis controladas secundárias):

Com o sistema de controlo regulatório adequado, a unidade não se deveria afastar muito do ponto desejado de operação em estado estacionário. Deveráser possível reduzir o efeito das não linearidades, e conseguir que o nível de controlo de supervisão (ou os operadores) consiga controlar a unidade a uma escala de tempo mais pequena. Preferencialmente, este nível “básico” de controlo deveria conseguir funcionar para uma vasta gama de objectivos de controlo primários (Skogestad, 2004).

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Numa unidade industrial real…Há

Na prática o sistema de controlo global éhabitualmente dividido em vários níveis, separados

por diferentes escalas de tempo:

centenas ou milhares de variáveis medidase de ciclos de controlo!



Hierarquia das Funções de Controlo

Matérias Primas Processo

NÍVEL 1Instrumentação de campo

NÍVEL 5Escalonamento

NÍVEL 6Planeamento

NÍVEL 3Controlo avançado/ Optimização Dinâmica

NÍVEL 2Controlo de Regulação Covencional PID, DCS

NÍVEL 4Optimização em Tempo Real

Produtos

Semanas-Meses

Dias-Semanas

Horas-Dias

Minutos

Segundos

< 1 segundo

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Níveis 1 e 2 da hierarquia de controlo

Processo

Nível 2: Controlo de Regulação CovencionalPID, DCS ou PLC

Objectivos: Assegurar segurança na operaçãoRecolher medidasImplementar acções de controlo

Medidas Acções de controlo

Nível 1: Instrumentação de Campo

Objectivos: Regular o processo(manter setpoints)Assegurar segurança no arranque e paragemInterface com o operador

Instrumentos de campo Acções de controlo (start, stop, on, off, posição da válvula, etc)



Níveis 3 e 4 da hierarquia de controlo

Valores de refª (targets) para os outputs do processo, variáveis manipuladas,constrangimentos, custos

Nível 4: Optimização em Tempo Real

Objectivos: Determinar condições operatórias óptimasDeterminar factores de custo locaisActualizar os modelos do processo

Medidas

Nível 3: Controlo avançado/ Optimização Dinâmica

Objectivos: Ajustar setpointsManter os outputs nos valores de refª. evitando também

violação dos constrangimentos operacionais

Medidas Setpoints para os controladores de nível 2

Controlo de Regulação Covencional PID, DCS

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Controlo Multivariável

http://murray.newcastle.edu.au/control/simulations/dist_sim.html

Pressão

Nível

Composição

Nível

Composição



LC

FC

T T

FC

LC

T T

qr

qbq

ta

tb

Ref ta

Ref tbMBPC

Controlo AvançadoTem em conta a interacção entre asvariáveis, as suasrestrições, as perturbações, etc. E permite obter umcontroloeficiente de forma automática,abrindo as portas àoptimização do ponto de operação.

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Tendências da Indústria• Exigências crescentes na optimização de custos,

melhor qualidade, produtividade, segurança, respeitopelo ambiente, funcionamento das unidades para umavasta gama de condições de operação, ...

• Melhoria dos sistemas de controlo para cumprirespecificações

• Necessidade de racionalizar as decisões a nívelsuperior com impacto económico e de integrar todas as decisões a diversos níveis.



Exemplo: manter a operação próxima do óptimo estabelecido

Pressão

Temperatura

Óptimo económico

Ausência de controlo

Falha do equipamento

Degradação do produto

Controlo avançado

Controlo convencional

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Controlo e Optimização

ref

reflimite superior

tempo

• A redução da variância permite deslocar a referênciae respeitar os limites da variável.

• A melhoria do controlo permite a optimização do processo.



Porque é que vocês deveriam estar interessados?

• É uma área tecnicamente interessante.• As indústrias de processos são as maiores utilizadoras das

tecnologias de controlo.• Os engenheiros de processos estão muitas vezes envolvidos

no projecto e implementação das estratégias de controlo.• O projecto dos processos químicos e dos controladores são

cada vez mais interactivos.• O controlo de processos envolve diferentes desafios e

oportunidades.• O controlo de processos é uma ferramenta chave e

representa um benefício para as indústrias de processos.• Estudar controlo de processos dar-vos-á conhecimentos e

competências relevantes para o vosso trabalho futuro.

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Algumas Estratégias de Controlo Avançado

• Controlo Previsional (feedforward)• Controlo em Cascata • Controlo Multivariável (MIMO)• Controlo Digital• Controlo Preditivo (MPC)• Controlo Adaptativo



Exemplos de Objectivos de Controlo

• Tornar o sistema auto-regulado (controlar as variáveis que podem tornar instável a unidade).

• Conduzir as variáveis a controlar para os valores desejados ou de referência.

• Reduzir a variabilidade de determinadas variáveis (melhorar a qualidade e conseguir que a unidade opere próximo dos constrangimentos).

• Optimizar o controlo (ajustar as variáveis operatórias para maximizar a produção tendo em conta os constrangimentos e aspectos económicos).

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Estabelecer Objectivos de Controlo para avaliação de desempenho

Objectivos que não permitem “medir” o desempenho, não são adequados para avaliação de estratégias de controlo, como por exemplo:

• “ É necessário bom controlo da pressão”.• “Temperaturas elevadas são perigosas”.• “ A composição de X não pode ser medida mas nunca pode ir abaixo de 0.05”.

Os objectivos têm que traduzir desempenhos que possam ser “medidos” na forma de constrangimentos ou de valores económicos, como por exemplo:

• “ A pressão deverá estar sempre controlada a 0.01 bar.”• “ A temperatura nunca deve exceder 550 K”.• “ A composição de X calculada a partir da temperatura e da pressão através da

expressão... nunca deve ser inferior a 0.05”.• “ Este ....é o óptimo económico e estes ....são os prejuízos económicos pela violação

de cada um dos constrangimentos, que quero minimizar.”



Investe-se muito esforço a compreender a dinâmica dos processos entre variáveis de entrada “inputs”e variáveis de saída “outputs”!

Selecção da Estrutura de Controlo

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Selecção da Estrutura de ControloAs saídas são variáveis chave que queremos manter nos valores especificados desejados ou próximo deles.

As entradas pertencem a duas categorias distintas:1. Variáveis manipuladas que são ajustadas para se conseguir o comportamento desejado no processo2. Variáveis de perturbação cujos valores variam devido a alterações noutros processos e no ambiente envolvente.



Selecção da Estrutura de Controlo

A selecção da estrutura de controlo vem a seguir à definição dos objectivos de controlo e inclui:1. Escolha das variáveis medidas2. Escolha dos inputs/variáveis manipuladas3. Escolha das ligações entre variáveis medidas e inputs

Há três abordagens possíveis para a selecção da estrutura de controlo:1. Regras heurísticas e experiência2. Quantitativa/Teoria de controlo (estado estacionário e dinâmico)3. Algorítmica

A finalidade de todos estes métodos é a escolha de uma estrutura que permita alcançar os objectivos de controlo de modo fácil e eficiente.

Perturbações

Processo(Objectivos)

Controlador

MedidasInputs

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Selecção da Estrutura de Controlo: exemplo



Selecção da Estrutura de Controlo: exemploO processo representado na figura anterior (Marlin, 2000) vaporiza butano líquido e mistura o vapor com ar comprimido. A mistura segue depois para um reactor tubular.

a) Identifique pelo menos três variáveis controladas, que têm que ser medidas.

b) Identifique pelo menos uma variável manipulada para cada uma das variáveis controladas (devem estar associadas a válvulas).

c) Identifique pelo menos três variáveis de perturbação (não têm que ser obrigatoriamente medidas). Para cada uma indique qual ou quais as variáveis controladas que são influenciadas ou seja, perturbadas.

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Controlo Avançado de Processos

Modelos Dinâmicos do Processo

Desenvolvimento de Modelos Dinâmicos de Primeiros Princípios com Base em Balanços Mássicos e Entálpicos do Processo

Identificação de Modelos Dinâmicos de Caixa Negra com Base em Dados Reais do Processo

É fundamental o estudo da dinâmica dos sistemas bem como o uso de técnicas baseadas em modelos

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