CONTROLE
AVANÇADO
Prof. André Laurindo Maitelli
DCA-UFRN
CONTROLE DE
PROCESSOS
INDUSTRIAIS
Controle de Processos
Industriais
SetP oint
SP
Variável
Manipulada
MV
P rocesso
Controlador
Elemento final
de controle
Transmissor
Transdutor
elétrica
pneumática
hidráulica
Variável de
P rocesso
PV
temperatura
pressão
nível
vazão
Sensor
tensão mecânica
deslocamento
tensão elétrica
impedância
Controle de Processos
Industriais
Controle de Processos
Processos Industriais
• Sensor, Transmissor, Válvula de Controle:
campo (junto ao processo);
• Controlador: sala de controle ou campo;
• Equipamentos de controle: analógicos ou
digitais;
• Sistemas analógicos: sinais de ar
pressurizado (3 a 15 psi) ou sinais de
corrente/tensão (4-20 mA, 0-10 Vdc).
Controlador Industrial
• Modos de Operação: Manual ou
Automático;
• Ações de Controle: Direta ou Reversa
– A escolha da ação de controle depende da ação
da MV sobre a PV no processo, da ação da
válvula e do sensor.
Características de um
Controlador Industrial
• Indicar o valor da Variável de Processo (PV);
• Indicar o valor da saída do controlador, a Variável
Manipulada (MV);
• Indicar o Set Point (SP);
• Ter um chave para selecionar entre modo manual
ou automático;
• Ter uma forma de alterar o valor do SetPoint
quando o controlador está em automático;
• Ter uma forma de alterar MV quando o
controlador está em manual;
• Ter um modo de seleção entre ações direta e
reversa do controlador.
CONTROLE
“FEEDFORWARD”
O que é ?
• Controle feedforward usa o conhecimento
das perturbações para agir sobre o sistema
antes que as mesmas afetem o erro;
• Desvantagens:
– necessidade de medição das perturbações
– Necessidade do conhecimento do modelo do
processo e da perturbação
Controle Feedforward
Controle Convencional
N(s)
Gn(s)
R(s)
E(s)
+
+
Gc(s)
G(s)
+
-
Y(s)  Gc (s)G(s)E(s)  G n (s) N(s)
E(s)  R (s)  Y(s)
Y(s)  Gc (s)G(s)R (s)  Y(s)  G n (s) N(s)
Y(s)1  Gc (s)G(s)  Gc (s)G(s)R (s)  G n (s) N(s)
Y(s)
Controle Convencional
Y(s) 
G c (s)G (s)
G n (s)
R (s) 
N(s)
1  G c (s)G (s)
1  G c (s)G (s)
Influência da entrada
Influência das perturbações
• Se as perturbações são mensuráveis, o
controle feedforward é um método útil para
cancelar os seus efeitos na saída do
processo.
Controle Feedforward
perturbação
controlador
feedforward
N(s)
Gff(s)
Gn(s)
R(s)
+
+
E(s)
+
Gc(s)
-
G(s)
+
Y(s)
saída
Y(s)  Gc (s)G(s)R (s)  Y(s)  G n (s) N(s)  Gff (s)Gc (s)G(s) N(s)
Y(s)  Gc (s)G(s)R(s)  Y(s)  Gn (s)  Gff (s)Gc (s)G(s)N(s)
Controle Feedforward
Gn (s)  Gff (s)Gc (s)G(s)  0
G n (s)
G ff (s)  
G c (s)G (s)
• A vantagem deste tipo de controle é que a
ação corretiva ocorre antecipadamente, ao
contrário do controle por realimentação, em
que a ação corretiva acontece somente
depois da saída ser afetada.
Exemplo
• Sistema de controle de temperatura
Exemplo
• Perturbação:
– mudança vazão de saída da torre (depende do
nível da torre);
– seu efeito não pode sentido imediatamente,
devido aos atrasos envolvidos no sistema;
– um controlador convencional agirá somente
quando houve um erro;
– um controlador feedforward que receberá a
também a informação da vazão, poderá agir
mais cedo sobre a válvula de vapor.
Exemplo
CONTROLE EM
CASCATA
O que é ?
• É um método simples, envolvendo dois
controladores por realimentação em cascata;
• O controle em cascata é definido como a
configuração onde o sinal de saída de um
controlador é o Set-Point gerado pelo outro
controlador.
Controle em Cascata
laço secundário
R1(s)
R2(s)
+
Gc1(s)
-
+
Y2(s)
Gc2(s)
-
laço primário
G2(s)
Y1(s)
G1(s)
Controle em Cascata
R1(s)
R2(s)
+
G c2 (s)G2 (s)
1  G c2 (s)G2 (s)
Gc1(s)
-
Y2(s)
G1 (s)G 2 (s)G c1 (s)G c2(s)
Y1 (s)

R 1 (s) 1  G c2(s)G2 (s)  G1 (s)G 2 (s)G c1 (s)G c2(s)
G1 (s)G 2 (s)G c1 (s)G c2(s)
Y1 (s)

R 1 (s) G c2(s)G2 (s)[1  G c1 (s)G1 (s)]
Equação característica:
 G c 2 (s)G 2 (s) 
  0
1  G c1 (s)G1 (s)
 1  G c 2 (s)G 2 (s) 
primário
secundário
Y1(s)
G1(s)
Controle Convencional – exemplo
SP
H
+
LC
-
G(s)
Controle em Cascata - exemplo
SP1
SP2
+
LC
-
+
malha de vazão
FC
-
malha de nível
G1(s)
Q
H
G2(s)
Controle em Cascata - exemplo
Considerando:
G c1 (s)  K1
G c1 (s) 
G c 2 (s)  K 2
1
s 1
Controle convencional:
+
-
K1 K 2
1
(s  1)(s  2)
G c 2 (s) 
1
s2
LGR
Controle em Cascata - exemplo
Controle em cascata:
laço secundário
+
-
K1
+
-
K2
1
s 1
1
s2
laço primário
LGR-primário
LGR-secundário
 1 K 2
-2
 1 K 2
COMPENSAÇÃO DO
TEMPO MORTO
Tempo morto
• É o atraso entre a variação do sinal de controle (MV) e o
início da variação da saída (PV).
• Exemplos:
– Transporte de fluidos em linhas longas;
– Variável controlada medida por analisador de linha;
– Elemento final de controle lento;
• Um controlador convencional não funciona bem com
tempo morto, pois a ação de controle demora um certo
tempo para ser detectada.
tempo morto
G(s)  e s
Compensação do tempo morto
• Considerando:
R(s)
+
Gc1(s)
e-sτ
G(s)
Y(s)
-
• A FT de malha fechada é::
G c1 (s)e s G(s)
Y(s)

R (s) 1  G c1 (s)e s G(s)
(I)
Compensação do tempo morto
• Idéia: deslocar o tempo morto para fora da malha
de controle
R(s)
+
Y(s)
Gc(s)
G(s)
e-sτ
-
• Para isto, projetaremos um controlador a fim de
que a FT de malha fechada seja:
G c (s)G(s) s
Y(s)

e
R (s) 1  G c (s)G(s)
(II)
Compensação do tempo morto
• Igualando as equações (I) e (II) temos:
G c1 (s)
G c (s) 
1  G c1 (s)  G(s)  G(s)e s


Gc1(s)
R(s)
+
-
Y(s)
+
-
Gc(s)
(1-e-sτ)G(s)
G(s)
e-sτ
Compensação do tempo morto
• O controlador Gc(s) é projetado de forma usual;
• O controlador de Smith realimenta a saída sem o
atraso (não pode ser obtida na prática);
• O controlador modifica a variável controlada da
seguinte forma:
– Quando o controlador enviar uma ação de
controle
ao
processo,
o
controlador
imediatamente responde pelo processo para que
a resposta seja isenta do tempo morto;
– Após o tempo morto, à medida que o processo
começar a responder, o controlador vai
retirando a sua ação de acordo com a dinâmica
do processo.
CONTROLE
“OVERRIDE”
Controle “Override”
• Também chamado de controle seletivo;
• É uma forma de controle multivariável em
que uma única variável manipulada (MV)
pode ser ajustada usando-se várias variáveis
controladas (PV), uma de cada vez;
• Escolhe-se a variável principal que estará na
maior parte do tempo atuando na variável
manipulada, sendo as outras apenas
variáveis de restrição.
Coluna de Destilação - exemplo
Coluna de Destilação - exemplo
• Deve-se controlar a vazão de vapor para o
refervedor (trocador de calor para
aquecimento) de fundo de uma coluna de
destilação, atuando na única válvula do
sistema;
• Entretanto, o nível deste refervedor não
pode ser menor que um valor para não
perder o selo de líquido;
• Solução: controle override.
Vantagens
• Quando não existem graus de liberdade
suficientes no processo, pode-se controlar
preferencialmente uma variável até que uma
outra atinja o seu limite operacional;
• Forma simples de respeitar as restrições do
processo e evitar que o sistema de
segurança atue parando a planta.
Cuidados na implementação
• Prever proteção contra saturação do sinal de
saída dos controladores que não estiverem
sendo selecionados para atuar no elemento
final de controle;
• Implementar uma estratégia de rastreamento
dinâmico
forçando
a
saída
dos
controladores que não estão controlando a
válvula a seguir a posição atual da válvula
(saída do seletor).
Controle Override – Exemplo 2
•
Controle override para proteção de um compressor
• Quando a pressão do gás de saída do compressor ultrapassa um
valor pré-ajustado, o controle passa a ser exercido pela malha de
pressão, ao invés da malha de fluxo, através da chave HSS
ativada por valores altos.
Controle Override – Exemplo 3
•
Controle override para proteção de geradores de vapor
• Inicialmente o controle busca manter a pressão na linha de
vapor. Quando o nível se torna muito baixo, o controle
passa a ser exercido pela malha de nível.
CONTROLE
“SPLIT RANGE”
Controle “Split Range”
• Em certas aplicações, uma única malha de
controle de fluxo pode ser suficiente para garantir
um bom desempenho do sistema em uma grande
faixa de operação;
• Controle de fluxo do tipo Split Range usa dois
controladores (um com uma válvula de controle
pequena e o outro com uma válvula de controle
grande), ambos em paralelo;
• Para fluxos pequenos, a válvula grande é fechada
e a válvula pequena garante um controle de fluxo
de boa qualidade;
• Para grandes fluxos, ambas as válvulas estão
abertas.
Exemplo
• Controle de pressão em split-range:
Exemplo
• Se a pressão começar a subir, o controlador
deve primeiro fechar toda a válvula que
admite gás e em seguida abrir a válvula de
alívio;
• Assim, supondo o controlador em ação
direta, entre 0 e 50% na saída do PID, a
válvula que admite gás vai da posição toda
aberta para a posição toda fechada;
• Na faixa entre 50 e 100% na saída do PID, a
válvula que alivia gás vai da posição
fechada para a posição toda aberta.
Controle Split Range – Exemplo 2
FC
FT
FT
Signal to Control Valve
(%)
FC
Smaller Control
Valve
Larger Control
Valve
Total Flow Rate
Controle Split Range – Exemplo 3
Controle de Temperatura Split Range
S pl it-Ran ge
Te m pe ratu re
C on troll e r
C ool i n g
W ate r
RS P
S te am
TT
TT
TC
Controle Split Range – Exemplo 2
Controle de Temperatura Split Range
Signal to Control Valve
(%)
100
T > Tref
Resfriar
80
T < Tref
Aquecer
60
40
Cooling
Water
Steam
20
0
Error from Setpoint for Jacket Temperature
CONTROLE
DE RELAÇÃO
O que é ?
• Existem muitas situações nos processos industriais
onde é necessário manter duas variáveis numa
proporção ou relação definida;
• Uma variável flutua livremente de acordo com as
exigências do processo e é chamada de variável
livre;
• A outra variável é proporcional à variável livre e é
chamada de variável manipulada;
• Exemplos: a mistura de aditivos à gasolina,
mistura proporcional de reagentes de um reator
químico e a mistura de fluxos quentes e frios para
se obter uma determinada temperatura da mistura.
Controle de Relação - Exemplo