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 s2 LGR Controle em Cascata - exemplo Controle em cascata: laço secundário + - K1 + - K2 1 s 1 1 s2 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