AT: Esquemas especiais de controle
Conteúdo
• Controle antecipatório.
• Controle em cascata.
• Controle de relação.
Ate aqui temos visto como solução para o controle, o
controle com retroação (feedback) em malha fechada
simples.
O controle com retroação tem
Vantagens:
Muito simples.
Compensa o efeito sobre
a variável controlada de
todas as perturbações.
A desvantagem
Que pode compensar uma perturbação só depois que a
variável controlada se ha afeitado.
A perturbação (e seu efeito) tem que se propagar por toda a
malha antes que o controlador poda tomar alguma decisão.
Tem processos nos quais deve se atender este problema do
efeito das perturbações sobre a variável controlada e sua
correção de maneira prioritária,
Porque
Existem perturbações que atuam
muito freqüentemente ou de forma
muito forte
É muito importante que se mantenha a
variável controlada nos valores muito
pertos ao valor desejado (set point)
pela afetação que pode produzir em
outros sub-processos e na qualidade
do produto final.
Em estes casos podem se utilizar outros esquemas de controle, como são
Controle antecipatório (feedforward).
Controle em cascata
Um reator químico tanque-camiseta no que
é preciso controlar a temperatura do
produto.
Vemos no seguinte exemplo
F1, 1
CT
Fa, 4
Fa, 3
agua de esfriamento
produto
camiseta
F1, 2
O diagrama de blocos na malha convencional de controle é:
3
+
r +
Gc
_
Gv
Fa
F1
1
camiseta
G1
+
Hm
4
+
_
+
+
vaso
G2
2
3
+
r +
Gc
_
Gv
Fa
F1
1
camiseta
G1
+
4
+
_
+
+
vaso
G2
2
Hm
Como se observa no diagrama de blocos existem 3 perturbações
que tem afetações na variável controlada:
a temperatura de entrada da água de esfriamento (3),
a temperatura de entrada do produto (1)
o caudal de entrada do produto ao reator (F1).
Se suponha que a temperatura da água de esfriamento (3) varia freqüentemente..
Para que o sistema de controle efetue uma correção, a ação de essa
temperatura tem que se propagar até (2), logo se medir e ao final atuar
sobre a válvula de controle
Uma maneira de melhorar esta situação é com o chamado
Controle Antecipatório (feedforward).
No Controle Antecipatório se mede a perturbação e se alimenta para diante
até atuar diretamente sobre a válvula.
Objetivo: que a saída do sistema (variável controlada) não seja afectada
pela perturbação dada.
C(s)  GP (s) X (s)............(1)
X ( s)  L( s)GL ( s)  L( s)GM ( s)GCA  E ( s)GC ( s)GV ( s)....(2)
E ( s)  R( s)  C ( s) H m ( s).......(3)
Substituindo (3) em (2) e logo (2) em (1) ficará
C ( s) 
Gp (s)GL (s)  GM (s)GCA (s)GV (s)
1  G p (s) H m (s)GC (s)GV (s)
L(s) 
Gp (s)GC (s)GV (s)
1  G p (s) H m (s)GC (s)GV (s)
R(s)
A saída variará porque varie a entrada de referência e porque
varie a entrada perturbadora
Para que C(s) não seja afeitada por L(s),
GL (s)  GM (s)GCA (s)GV (s)  0
GL ( s)
GCA ( s)  
GM ( s)GV ( s)
(Condição de
imperturbabilidade)
Controlador Antecipatório
Considerações práticas:
A perturbação L(s) tem que se poder medir.
Geralmente GL, GV, etc., se conhecem só aproximadamente,
o se utilizam modelos para representá-los criados a partir de
considerações que são aproximações da realidade.
A GCA obtida pode não ser realizável exatamente e si
tem vários zeros, isto faz com que o sistema resulte
mais sensível ao ruído
.
Conclusão:
Geralmente, na prática, a condição de
imperturbabilidade não se alcança
totalmente.
Controle em Cascata:
Quando
O processo pode se descompor em dois sub-processos nos que
existe uma variável intermédia que é afetada também pela perturbação
principal
É esse efeito acontece antes do efeito da perturbação sobre a variável
controlada
se pode estabelecer um esquema
Controle em Cascada com o qual se melhora
apreciavelmente a qualidade do controle.
Utilizando como exemplo o reator com controle de temperatura temos:
F1, 1
CT
Fa, 4
Fa, 3
agua de esfriamento
produto
camiseta
F1, 2
Observe que neste sistema há dois elementos que armazenam calor que podem ser
considerados dois sub processos e de fato o são.
O líquido dentro do tanque
a Jaqueta
A temperatura é θ2
A temperatura é θ4
pode afetar a esta
Uma mudança nesta
O controle em cascata do reator químico com controle de temperatura fica:
Controlador do laço externo
Controlador do laço interno
Controlador do
laço externo
Controlador do
laço interno
Controle em Cascata:
Quando a perturbação na malha interna começa a atuar,
seu efeito se refletirá na variável intermédia do processo
e através desta malha com o controlador secundário,
corrigira o efeito antes que sua ação sobre a variável
controlada seja apreciável.
Considerações práticas:
Tem que existir una variável intermédia do processo que poda se medir.
A malha interna deverá ter um bom comportamento como
servomecanismo, pois será constantemente afetado em sua referencia.
O melhor efeito sobre as perturbações se obtém quando a perturbação
mais freqüente e mais forte está na malha interna de controle.
Acostuma-se a usar ação P no laço interno com alta ganho para que a
resposta seja rápida e controle PI no laço externo para garantir zero
erro em estado estacionário
Controle de relação:
Em muitos processos tecnológicos, é necessário manter uma
relação constante entre duas variáveis do mesmo,
geralmente entre dois fluxos.
Normalmente se medem ambos fluxos, mas é só um é
controlado.
Utilizam-se dois esquemas básicos de controle de relação.
Primeiro esquema básico
Neste esquema ambos fluxos são medidos e se calcula sua relação.
Esta relação é comparada com uma relação de referencia e a diferencia entre
ambas é o sinal que se aplica ao controlador, o qual atua sobre a válvula que
regula o fluxo B.
Segundo esquema básico
Neste esquema a medição do fluxo A se multiplica pela relação desejada,
se obtendo o valor adequado de B como set point para comparar com a
medição de B
A diferencia entre ambas se aplica ao controlador, o qual regula o fluxo B.
Algumas aplicações do Controle de Relação:
Para manter uma relação constante entre o fluxo de alimentação e o vapor
no aquecedor de uma torre de destilação
Para manter constante a relação de refluxo em uma coluna de destilação
Para controlar a relação entre os valores dos reativos que entram a um
reator químico
Para manter constante a relação ar – combustível ao queimador
de uma caldeira
. Para manter a relação entre os valores de una mistura.
. etc
EXEMPLOS
Tem-se o seguinte sistema:
Encontre o controlador anticipatorio Ga que garantirá que a
perturbação afete o menos possível à saída
0.5


L( s )  4 
Ga  0
 4S  1 
0.5


4  4S  1 Ga  0
GA é um controlador PD
0.5
Ga  4
4S  1
4(4 S  1)
Ga  
 8(4 S  1)
0.5
A seguir se mostra um esquema em cascata para um sistema de controle
Deseja-se sintonizar ambos os controladores em modo P para obter as
seguintes especificações:
----A resposta à mudança degrau do laço interno deve estabilizar-se em
10 segundos
----A resposta à mudança degrau do sistema em conjunto deve
estabilizar-se com um erro menor do 1 %
laço interno
ts  4T
10
T
 2.5seg
4
Kc2
Kc2
Kc2

1  Kc2 
5
S

1
FTLin 


Kc2
5
5
S

1

Kc
2
1
S 1
5S  1
1  Kc2
5
 2.5
1  Kc2
Kc2  1
1
1  1
0.5
FTLin 

5
S  1 2.5S  1
11
0.5
1
*
0.5Kc2
2
.
5
S

1
20
S

1
FTLext 

2
0.5
1
50
S
 22.5S  1  0.5Kc2
1  Kc2 *
*
2.5S  1 20S  1
0.5Kc2 / 50
 2
S  0.45S  (1  0.5Kc2 ) / 50
Kc2 *
0.5Kc2
(1  0.5Kc2 ) / 50

(1  0.5Kc2 ) S 2  0.45S  (1  0.5Kc2 ) / 50
0.5Kc2
1
Ess  Rss  Css  1 

 0.01
1  0.5Kc2 1  0.5Kc2
Kc2  198
Kc2  200
Bibliografia
Notas do professor