Departamento de Automação e Sistemas
DAS 5101 – Processos em Engenharia
Aula de Laboratório n. 2
Sistemas de Controle em Malha Aberta e Malha Fechada
1. Introdução:
Um sistema de controle pode ser representado esquematicamente através do
seguinte diagrama em blocos:
Fig. 1: Sistema de controle
O sistema a ser controlado é chamado de processo ou planta. O sinal aplicado no
processo é chamado de sinal de controle (ou variável manipulada – MV). O sinal de
saída do processo é chamado de variável controlada (ou variável do processo – PV).
Em geral, os processos estão sujeitos à ação de outras entradas externas que não
podem ser manipuladas e que são denominadas de perturbações.
O objetivo de um sistema de controle consiste em aplicar sinais adequados na entrada
de controle (MV) a fim de fazer com que o sinal de saída (PV) atinja um valor prédeterminado que é caracterizado pelo sinal de referência (ou set-point SP).
O controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle predeterminado,
esperando-se que, ao final de um certo tempo de estabilização, a variável controlada
(PV) atinja o valor de referência (SP). Neste tipo de sistema de controle não são
utilizadas informações sobre a evolução do processo para corrigir o sinal de controle
aplicado ao sistema. Desta forma, o controle em malha aberta é sensível a
perturbações externas e, portanto, a variável controlada pode modificar o seu valor
em função da entrada de perturbação.
No controle em malha fechada, informações sobre com a saída controlada está
evoluindo ao longo do tempo são utilizadas para determinar um sinal de controle que
deve ser aplicado ao processo a cada instante de tempo. Isso é feito a partir da
medição da variável controlada através de um sensor que irá converter a grandeza
física a ser controlada em um sinal (em geral, elétrico). A fim de tornar o sistema mais
preciso e de fazer com que ele reaja a presença de perturbações externas, o sinal de
saída é comparado com um sinal de referência (SP) gerando o chamado sinal de erro.
A partir do sinal de erro uma ação de correção (sinal de controle) é enviada a entrada
do processo de maneira a fazer com que a saída controlada convirja ao valor de
referência (SP).
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As ações de controle mais comumente utilizadas são a ação proporcional e a
combinação das ações proporcional e integral. Estas ações de controle são
denominadas respectivamente de controlador proporcional (P) e proporcional-integral
(PI). A seguir, os conceitos de resposta em malha aberta e em malha fechada
considerando ações do tipo P e PI são analisados com o auxílio do software de
simulação de processos Control Station V2.5.
2. Objetivos
Entender os conceitos relativos às ações básicas de controle do tipo proporcional e
integral. Verificar as características de sistemas de controle em malha aberta e malha
fechada quando o processo está sujeito a perturbações de carga.
3. Software de Simulação
O software Control Station é um software relativamente antigo (da década passada)
compatível com as versões mais antigas do sistema operacional Windows e, desta
forma, a sua operação pode apresentar pequenos problemas de compatibilidade em
versões mais recentes do sistema operacional. Entretanto, este fato não
impossibilidade a sua utilização para avaliar os conceitos básicos de controle de
processo.
Este software é dedicado especificamente a área de controle de processo e utiliza uma
terminologia similar a utilizada em ambientes industrias, o que justifica a sua utilização
nesta disciplina ao invés de softwares mais completos e atualizados como o
Matlab/Simulink.
O software é dividido em três módulos: case studies, custom process e design tools
como ilustrado na próxima figura.
Fig. 2: tela de abertura do control station.
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Nesta aula, utilizaremos apenas o módulo case studies, especificamente o processo
com dois tanques em cascata na configuração vertical (gravity drained tank) como
ilustrado na próxima figura:
Fig. 3: tela do estudo de caso do sistema com dois tanques.
O objetivo neste processo é levar o valor do nível da coluna de líquido no segundo
tanque para um predeterminado nível de operação. A variável manipulada é a vazão
de entrada (controlada pela válvula superior). A variável de processo pode ser o nível
no segundo tanque ou a vazão de saída. A válvula na parte inferior do segundo tanque
atua como uma perturbação externa ao processo. Para implementar uma ação de
controle, o processo possui um sensor de nível, e a sua leitura pode ser comparada a
um valor de referência SP. Neste módulo é possível utilizar as ações elementares de
controle do tipo P e PI.
4. Atividades
i)
Colocar em modo de operação manual (default), com controller output em
70%, pump flow em 2 l/min. Para essas condições de operação, o nível do
segundo tanque é de 4 m.
ii)
Ajustar a controller output tal que o nível do segundo tanque seja de 3 m.
Verifique se a relação entre o controller output e o nível do segundo tanque é
linear.
iii)
Modifique a abertura da válvula manual de saída tal que a vazão de
perturbação seja de 1 l/min. O que acontece com o valor do nível do tanque 2.
Justificar a resposta.
iv)
Coloque o controlador em modo PID, considerando apenas uma ação
proporcional (ação integral e derivativa em off).
v)
Verificar o comportamento do sistema em malha fechada variando a ação
proporcional entre um valor pequeno e um valor grande (faixa de variação de
zero a 100%). Avalie o que acontece com o erro entre SP e PV e o
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vi)
vii)
viii)
comportamento frente a modificações na perturbação. Tente encontrar um
valor onde o erro seja menor que 0.3 metros, para um SP de 3,0 metros. Por
que o erro nunca é nulo?
Incluir uma ação integral (reset time) de 4 min. Avaliar o que acontece com o
erro em regime permanente e com relação a perturbações externas. Explicar
os resultados.
Ajuste a ação integral do controlador na opção sem with windup. Considere
um ajuste de Kc = 10 e τi = 1. Coloque em modo de operação automático com
um SP = 2 metros. Observe o efeito windup colocando o SP em 8,0 metros.
Observe a diferença na resposta colocando em modo de operação com antireset windup.
Elaborar um relatório contendo introdução, definição do problema (objeto de
estudo), conceitos teóricos envolvidos, apresentação dos resultados com
discussão e justificativas, e conclusão. O relatório pode ser feito em grupos de
dois alunos e deverá ser entregue em sala de aula até o dia 03/05.
5. Referências
[1] A. Bazanella e J.M. Gomes da Silva Jr.; “Sistemas de Controle: Princípios e Métodos de
Projeto”. Editora UFRGS, Porto Alegre, 2005.
[2] Control Station, Manual do Usuário, Versão 2.5, 2000.
[3] A. Bruciapaglia; “Apostila da Disciplina Processos em Engenharia”, Departamento de
Automação e Sistemas, UFSC, 2000.