A
disciplina de Automação de Controle de
Processos tem como objetivo munir os alunos
com conceitos e tecnologias normalmente
encontradas em ambientes fabris. Serão
discutidos conceitos de projeto relativos à
automação
industrial
e
as
tecnologias
atualmente utilizadas na solução de problemas
de controle na indústria, tendências para o
futuro, vantagens e desvantagens relacionadas à
implantação
e
operação
de
processos
automatizados.
 Conceitos
de regulagem automática,
ações de controle, análise e projeto de
sistemas de controle.
 Aplicação dos sistemas de controle em
plantas industriais: objetivos,
instrumentação e malhas de controle.
O
conteúdo será ministrado utilizando-se
abordagem sócio individualizada, através
de aulas expositivas, tarefas em sala,
tarefas extra sala e práticas de
laboratório. O objetivo principal é a
aplicação do conceito teórico na prática,
permitindo ao aluno uma análise crítica.
 Prova
80%
 Trabalhos 20%
• Os trabalhos serão os relatórios, projetos e
práticas de laboratório.






Livro ENGENHARIA DE CONTROLE MODERNO
Autor(es).: OGATA, KATSUHIKO ;
Editora.: PEARSON MAKRON BOOKS Edição.: 5
Local de Publicação.: SAO PAULO Ano de Publicação.: de 1998 a 2010
Livro MODELAGEM DA DINAMICA DE SISTEMAS E ESTUDO DA RESPOSTA
Autor(es).: FELICIO, LUIS CARLOS ;
Editora.: RIMA Edição.: 2 Paginação.: 551
Local de Publicação.: SAO PAULO Ano de Publicação.: de 2010 a 2010
Livro ENGENHARIA DE CONTROLE
Autor(es).: BOLTON, W. ;
Editora.: MAKRON BOOKS Edição.: 1 Paginação.: 497
Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: 1995
Livro SISTEMAS DE RETROACAO E CONTROLE, COM APLICACOES PARA ENGENHARIA, FISICA E
BIOLO
Autor(es).: DISTEFANO, JOSEPH J. (OUTROS) ;
Editora.: MCGRAW-HILL DO BRASIL Edição.: 1 Paginação.: 480
Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: de 1972 a 1973
Livro SOLUCAO DE PROBLEMAS DE ENGENHARIA DE CONTROLE COM MATLAB
Autor(es).: OGATA, KATSUHIKO ;
Editora.: PRENTICE-HALL DO BRASIL Edição.: 1 Paginação.: 330
Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: 1997
Livro SISTEMAS DE CONTROLE MODERNOS
Autor(es).: DORF, RICHARD C. (OUTROS) ;
Editora.: LTC - LIVROS TECNICOS E CIENTIFICOS Edição.: 8 Paginação.: 659
Local de Publicação.: RIO DE JANEIRO, RJ Ano de Publicação.: 2001

Os sistemas de controle são uma parte integrante da
sociedade moderna. Diversas aplicações nos rodeiam:
• Foguetes e naves espaciais;
• Refrigeração em usinagem automática;
• Veículos autônomos;
• Aeronáutica;
• Eletrodomésticos;
• Mecatrônica;
• Processos químicos;

Os sistemas controlados automaticamente não são
criados apenas pelos seres humanos; eles também
existem na natureza.
• Pâncreas – regula o açúcar no sangue;
• Adrenalina – instinto de subrevivência;
• Visão – orientação e mapeamento.

Definição: “Um sistema de controle é a interconexão de
componentes (subsistemas e processos) formando uma
configuração de sistema que produzirá uma resposta
desejada do sistema”.
O
ambiente operacional das indústrias mudou
de maneira acentuada nos últimos anos. A
informática está se tornando cada vez mais
importante para a produtividade e a
competitividade, e tem revolucionado o mundo
através de uma grande rede, a internet.


O conceito de rede passou a fazer parte dos sistemas
de automação, quando surgiu a necessidade de
interligar os vários equipamentos de uma aplicação de
forma a minimizar custos e aumentar a
operacionalidade de uma aplicação.
A utilização de redes em aplicações industriais prevê
um significativo avanço nas seguintes áreas:
•
•
•
•
Custos de instalação
Procedimentos de manutenção
Opções de upgrades
Informação de controle de qualidade
 Flexibilidade
para alterar as
configurações atendendo às novas
demandas;
 Distribuição de funções críticas, como o
controle para o campo;
 Totalmente digital;
 Arquitetura
mais enxuta com custo
menor;
 Interoperabilidade entre vários
fabricantes
aumentando as possibilidades de
escolha e a redução de custos
sobressalentes;
 Possibilidade de expansão a custo
reduzido.
 Os
primeiros sistemas de controle de processo
eram totalmente analógicos.
 As redes de automação foram introduzidas em
1970 através dos DDC (Direct Digital Control) e
logo em seguida também em DCS (Distributed
Control Systems) e PLC(Programmable Logic
Controller);
 Os equipamentos de campo (transmissores)
digitais surgiram em 1980.
 Porém as redes fieldbus FCS(Field Control
Systems), que interligam os equipamentos de
campo, só vieram a surgir em1990.

A função de controle DDC (Digital Direct Control), é
um sistema de supervisão que possui uma linguagem
tal, que permite definir diretamente ações de controle
sem
depender
de
um
nível
intermediário
representados por remotas inteligentes, já nas
operações de entrada e saída, são usadas remotas mais
simples ou são executadas através de cartões de I/O
ligados diretamente no barramento do micro.
 A filosofia do “sistema de controle digital
distribuído” é a de dividir os equipamentos em vários
módulos funcionalmente distintos: processo, controle,
operação,
gerenciamento e comunicação.

A arquitetura SDCD, caracteriza-se por um elevado
nível de redundância:
• redundância de servidores,
• redundância de rede de comunicação de dados,
• de cartões de entrada e saída, etc.
Ex: Rede Hart 4-20 mA
A
arquitetura enxuta de um FCS(Field
Control Systems), eliminou vários níveis
hierárquicos, inclusive a dos caros
controladores e subsistemas de E/S,
resultando em uma arquitetura com
apenas dois níveis: industrial e
comercial.
 Um
sistema é um conjunto de elementos
independentes em interação, com vistas a
atingir um objetivo.
A
definição identifica, embora usando
termos um pouco diferentes, três
elementos básicos que são essenciais na
conceituação de sistemas: subsistemas,
relações e propósito.
O
primeiro aspecto é que os sistemas são
compostos de elementos que podem ser
identificados de forma independente uns
dos outros. Isso significa que embora
sejam partes constituintes do sistema os
elementos têm uma existência e uma
identidade próprias que os destaca
como partes individuais.
 Através
das interações e relações
dinâmicas os elementos colaboram uns
com os outros para produzir um sistema
interessante porque apresenta algum
propósito novo e especial que seus
elementos independentes isoladamente
não seriam capazes de exibir.
 Qual
o objetivo do sistema?
 Para que serve o sistema?
 A identificação de um sistema está
intimamente relacionada à identificação
do propósito do sistema.
A
indústria de computadores pessoais
popularizou o sucesso das soluções
abertas,
mostrando
que
sistemas
compostos a partir de dispositivos de
fabricantes diferentes não só são viáveis
mediante a definição de padrões abertos
como também trazem aos clientes,
usuários e até mesmo aos pequenos
fabricantes vantagens indiscutíveis.
 Nem
mesmo a indústria de automação e
controle de processos, que é por tradição
conservadora, não escapou de seguir
esta moderna tendência, e foi sendo
dirigida pela pressão do mercado a
definir padrões para permitir soluções
abertas.
 Os
grandes sistemas de automação eram
até bem pouco tempo soluções
tipicamente proprietárias, por causa das
dificuldades
técnicas
para
se
implementar soluções abertas.
 Soluções
proprietárias lhes permitiam
manter cativos seus clientes, de forma
que se um desses clientes adquirisse um
dispositivo daquele fabricante ele teria
que adquirir também desde parafusos e
chaves de fenda, até softwares de
configuração, manutenção e operação
dos dispositivos, e não raro até serviços
de configuração, instalação e assistência
técnica.
O
maior apelo dos sistemas abertos é a
liberdade de escolha que proporcionam
ao cliente e ao usuário final. Se ele não
está preso por uma arquitetura
proprietária ele tem à sua disposição
para escolha uma vasta gama de
equipamentos e soluções de diversos
fabricantes.
O
conceito de sistema aberto é muito
abrangente. Um sistema pode ser mais
aberto ou menos aberto dependendo do
grau em que ele apresenta cada um dos
cinco
atributos
seguintes:
interconectividade, interoperabilidade,
intercambiabilidade, extensibilidade e
escalabilidade.
É
a capacidade de conectar em rede
equipamentos, máquinas e aplicativos
através de canais de comunicação de
forma
que
eles
possam
trocar
informações e interpretar as informações
trocadas.
A
interoperabilidade é conseguida
quando soluções de vários fabricantes
são capazes de operar umas às outras.
Isso quer dizer que, uma vez que se
tenha interconectividade, num sistema
interoperável os equipamentos, as
máquinas e os aplicativos podem
comandar uns aos outros.
A
intercambiabilidade tem a ver com a
possibilidade de se substituir um
equipamento, máquina ou aplicativo de
um fabricante pelo de outro sem perda
de funcionalidade.
O
sistema apresenta extensibilidade
quando novas funcionalidades podem
ser incluídas pela simples adição de
novos equipamentos, máquinas e
aplicativos sem impacto nas
funcionalidades já existentes no sistema.

A escalabilidade é o atributo que garante que o
sistema possa ser usado desde aplicações muito
pequenas até aplicações muito grandes, sendo que a
configuração
para
aplicações
pequenas
é
relativamente simples e barata. Mas se a aplicação se
desenvolver e se tornar maior e mais complexa, o
sistema suporta também uma configuração mais
sofisticada e proporcionalmente mais cara. Isso que
dizer que o usuário não precisa pagar caro para
atender uma aplicação simples, nem pagar mais barato
por uma solução simples que depois não pode ser
estendida.
O constante aumento de produção nas
empresas tem requerido investimento em
novos equipamento ou na troca de parte dos
existentes. Com esta necessidade, surgem
situações onde o antigo tem que existir com o
novo e a integração dos equipamentos
existentes com os novos deve acontecer de
maneira perfeita para que a confiabilidade e
rendimento do equipamento modificado sejam
no mínimo iguais aos das novas partes.
Para obtenção deste resultado , os
sistemas de controle devem estar
totalmente integrados, permitindo uma
operação estável, contínua e segura.
 Nas
arquiteturas antigas cada ponto ou
dispositivo adicional se tornava um peso para o
sistema. No caso das novas tecnologias
distribuídas, cada ponto ou dispositivo
adicional contribui com um microprocessador.
 A inteligência será distribuída em níveis cada
vez mais baixos na hierarquia, resultando na
necessidade de mais e mais dispositivos
conectados a barramentos de campo
industriais.
 O microprocessamento distribuído permite o
controle de operações hibridas com baixo
custo, simplicidade e flexibilidade.
A
tecnologia em automação tem avançado de
forma constante e está convergindo para um
ponto onde as empresas possam adaptar seus
processos e orçamentos com grande
flexibilidade a custos mais baixos. Não importa
se as operações de produção são grandes ou
pequenas, ou se é um processo contínuo ou
discreto, ou alguma combinação entre eles.
Soluções em automação de processo e de
controle já estão plenamente disponíveis.
 As
operações de manufatura discretas,
tais como nas indústrias:
automobilísticas, de eletrodomésticos, e
de todas as que se utilizam de processos
de produção em série, tipicamente
requerem funções de controle
relativamente simples. Ligar e desligar
um sistema, gerenciar uma correia
transportadora etc... Um CLP de custo
baixo resolve com facilidade.
 Processos
continuos envolvem aplicações mais
complexas e são imprescindíveis nas seguintes
empresas: químicas, petroquímicas,
petrolíferas, siderúrgicas, de mineração, de
papel e celulose, usinas de álcool, destilarias
de álcool, alimentícias, usinas nucleares, de
navegação, usinas de energia elétrica,
distribuidoras de energia elétrica etc. Quanto
mais variáveis e controles de processo
envolvidos na aplicação, mais difícil será
implementar soluções baseadas em CLPs.
O
nível mais alto, nível de informação da rede,
é destinado a um computador central que
processa o escalonamento da produção da
planta e permite operações de monitoramento
estatístico da planta sendo implementado,
geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O
padrão Ethernet operando com o protocolo
TCP/IP é o mais comumente utilizado neste
nível.
O
nível intermediário, nível de controle
da rede, é a rede central localizada na
planta
incorporando PLCs, SDCDs e PCs. A
informação deve trafegar neste nível em
tempo real para garantir a atualização
dos dados nos softwares que realizam a
supervisão da aplicação.
O
nível mais baixo, nível de controle
discreto, se refere geralmente às ligações
físicas da rede ou o nível de I/O. Este
nível de rede conecta os equipamentos
de baixo nível entre as partes físicas e
de controle. Neste nível encontram-se os
sensores discretos, contatores e blocos
de I/O.
 Planta
didática
• DF51 – Controle de processo(Transmissores)
• DF65 – Controle discreto (bombas)
O
mercado exige redes abertas e
facilidade de integração em todos os
níveis de aplicação.
 As
redes de equipamentos são classificadas
pelo tipo de equipamento conectado a elas e
o tipo de dados que trafega pela rede. Os
dados podem ser bits, bytes ou blocos. As
redes com dados em formato de bits
transmitem sinais discretos contendo
simples condições ON/OFF. As redes com
dados no formato de byte podem conter
pacotes de informações discretas e/ou
analógicas e as redes com dados em formato
de bloco são capazes de transmitir pacotes de
informação de tamanhos variáveis.

Dados em formato de bits.

Conexão
• Poucos equipamentos.
• Equipamentos simples
• Ligação direta.

Características:
• Comunicação rápida em níveis discretos.
• Sensores de baixo custo.
• Pequenas distancias.

Objetivo Principal:
• Minimizar custo.

Exemplos:
• Seriplex, ASI e Interbus Loop.

Dados em formato de bytes

Podem cobrir distâncias de até 500 m.

Equipamentos:
• Predominantemente de variáveis discretas.


Algumas redes permitem a transferência de
blocos de dados com prioridade menor aos dados
em formato de bytes.
Possuem os mesmos requisitos temporais das
rede Sensorbus, porém podem manipular mais
equipamentos e dados
Exemplos: Device-Net e Profibus DP.

Dados em formato de bits.

Redes mais inteligentes:
 Podem conectar mais equipamentos a distâncias mais longas.

Os equipamentos conectados a rede possuem inteligência para
executar funções específicas:
 Sensor, atuador, controle.

As taxas de transferência de dados podem ser menores que as
anteriores, porém estas são capazes de comunicar vários tipos de
dados:
 Discretos, analógicos, parâmetros, programas e informações de usuário.

Exemplos:

Fieldbus Foundation e Profibus PA.
 Integração

de redes:
Hart
• Rede de comunicação analógico
 FieldBus
• Rede de comunicação digital
 HART-
Highway Addressable Remote
Transducer;

Desenvolvimento: 1980 pela Fisher Rosemount;

Proposta:
• Utilizar os cabos tradicionais de 4-20mA;
• Modular o sinal de dados sobre o sinal analógico
• Comunicação bidirecional
• O sinal é modulado em FSK (Frequency Shift Key)
 Bit 1 - tom de 1mA pico a pico em 1200Hz
 Bit 0 - tom de 1mA pico a pico em 2400Hz




Protocolo Digital: As informações são transmitidas em
forma de mensagens de acordo com as camadas de
comunicação definidas pelo protocolo FF H1;
Serial: As informações são transmitidas e recebidas bit
a bit;
Half-duplex: Comunicação bidirecional, porém, em
uma única direção a cada instante;
Multidrop: Permiti a comunicação entre os vários
equipamentos conectados à rede.

O FF H1 surgiu com o
objetivo de interligar e
operar os instrumentos de
campo com características
diferentes e de diversos
fabricantes. Usufruindo
toda sua inteligência
através de uma rede,
proporcionando a
descentralização das
tarefas.



Principal objetivo é conseguir que uma variável
dinâmica se mantenha constante em um valor
específico;
Para isso é necessário uma malha de controle
fechada, que opere sem intervenção do elemento
humano;
O valor da variável controlada é medido com um
sensor e comparado com o valor desejado (setpoint). A
diferença entre o setpoint e a variável controlada é
conhecida como erro (ou desvio). A saída do
controlador é determinada em função desse erro e é
usada para ajustar a variável manipulada.

Processo: O termo processo, significa as funções e/ou
operações usadas no tratamento de um material ou
matéria-prima.
• No exemplo abaixo temos um processo para aquecimento de
água. É um trocador de energia (trocador de calor).

Variáveis de Processo (PV) ou Variável Controlada (VC):
• Variável que indica diretamente o estado do produto;
• Variável que se deseja manter dentro de padrões (limites);

Controle direto: Através da leitura da variável controlada
ou variável de processo, se garante que o produto se
mantenha dentro dos padrões desejados;
• Ex: Num sistema de aquecimento de água, a variável controlada é a
temperatura da água de saída do aquecedor.

Controle Indireto: Quando a leitura direta de uma variável
for difícil de ser implementada, pode-se trabalhar com uma
variável secundária do processo;
• Ex: Forno de recozimento, onde a variável controlada seria a
condição de recozimento do produto, porém controla-se a
temperatura.

Variável Manipulada (MV):
• É a variável sobre a qual o controlador automático atua;
• Pode ser qualquer variável do processo que causa uma
variação rápida na variável controlada.
 Exemplo: No caso do aquecedor de água, a variável manipulada é a entrada
de vapor.

Variável de Carga ou Secundária:
• São todas as outras variáveis independentes do processo;
• Impõem flutuações no processo que devem ser absorvidos
pelos controladores a fim de manter a variável controlada no
valor desejado;
 Exemplo: Temperatura da água de entrada do aquecedor;

Auto-regulação: Característica própria de um processo
que ajuda a limitar o desvio da variável controlada.
• Processo estável (auto-regulado): Existe um equilíbrio entre
entrada e saída do processo;
• Processo instável (não auto-regulado): Não existe tendência de
haver equilíbrio entre entrada e saída.

Atrasos em processos: Algumas características dos
processos podem atrasar as mudanças nos valores das
variáveis envolvidas no controle. Isso aumenta a
dificuldade de controle. São causados por três
propriedades:
• Resistência:
 Resistem a transferência de energia ou de um material (Ex: paredes das
serpentinas, resistência a passagem de um fluido em uma tubulação, resistência a
transferência de energia térmica.
• Capacitância:
 É a característica apresentada por alguns componentes do processo que acumula
energia ou material. (Ex: tanques, reservatórios)
• Tempo morto:
 É o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação
qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor.


Acumula energia ou material;
Pode ser monocapacitancia, bicapacitancia,
multicapacitancia;
 Resistência
de tubulações

O tempo morto entre a ação da válvula e a variação
resultante no peso, é igual a distância entre a válvula e a
célula detectora de peso dividida pela velocidade de
transporte da correia.

O eletrodo de medição
do pH deve ser instalado
a jusante do ponto de
adição do neutralizante
cáustico, para dar o
tempo necessário de
mistura
e
reação
química. Se o fluído flui a
uma velocidade de 2 m/s
e a distância é igual a
10m, o tempo morto será
de 5s.


Num sistema de controle é importante se levar em
consideração efeito de distúrbios.
Para exemplificar podemos pensar em um sistema de
aquecimento doméstico em malha aberta, um
aquecedor é ligado para obter uma temperatura. O
que aconteceria se uma janela fosse aberta e uma
rajada de ar frio entrasse na sala?

Na análise de um processo do ponto de vista do
controle automático é bom dar particular atenção a
três tipos de distúrbios de processo que podem
ocorrer:
• Distúrbio de Alimentação
• Distúrbios de Demanda
• Distúrbios de Set-Point

É uma mudança na entrada de energia (ou de
material) no processo. Geralmente é chamado de
mudança de carga de alimentação.
• No trocador de calor, visto anteriormente, mudanças
na qualidade ou na pressão de vapor, ou na
abertura da válvula são distúrbios de alimentação.

É uma mudança na saída de energia (ou material)
do processo. Geralmente é chamado de mudança de
carga de demanda.
• No nosso exemplo do trocador de calor, as
mudanças de temperatura da água fria e da vazão
da água são distúrbios de demanda.

É a mudança no ponto de trabalho do processo. As
mudanças de set-point geralmente são difíceis por
várias razões:
• São, geralmente, aplicadas muito repentinamente;
• São, geralmente, mudanças na alimentação, e por isso devem
atravessar o circuito inteiro para serem medidas e controladas.

Resposta Ideal do Controle:
• Pode-se estudar os processos pela análise das reações das
variáveis quando são submetidas a mudanças de cargas.
• As curvas de reação são estudadas em vários tipos de combinação
de Resistência, Capacitância e Tempo Morto.
• Abaixo a curva de reação de um processo monocapacitivo
(capacitância simples e sem tempo morto) a uma mudança
de carga de demanda (a) e de alimentação (b)

Processo Monocapacitivo ou 1ª Ordem:
• São processos simples que apresentam apenas um par RC.
• Dificilmente encontrado em indústrias, aplicação maior em
plantas piloto.
• São processos mais fáceis de controlar porque reagem
imediatamente a mudanças de carga e as correções são
efetivadas rapidamente.

Exemplo: Trocador de calor
• As curvas abaixo indicam como a temperatura começa a
aumentar exatamente ao mesmo tempo em que a carga é
mudada.
• A temperatura é atrasada (no tempo), quanto maior for a
capacitância de armazenamento de cada processo. Isso acontece
por causa da capacitância calorífica da água e da resistência ao
fluxo de calor.

Processo Multicapacitivo ou 2ª Ordem:
• São processos que apresentam dois ou mais pares RC.
• É o mais comum em indústrias.
• São processos mais difíceis de controlar porque não reagem
imediatamente a mudanças de carga e as correções não são
efetivadas rapidamente.

Exemplo: Trocador de calor (serpentina grande, que
gera uma capacitância calorífica)
• As curvas abaixo indicam como a temperatura começa a
aumentar vagarosamente.
• A temperatura irá demorar mais para atingir seu valor final.
(devido capacitância calorífica da água na serpentina C1 e no
tanque C2 e a resistência ao fluxo de calor de C1 para C2).

Exemplo: Trocador de calor (aumentando a distancia do
nosso sensor em relação a saída do trocador)
• Aumenta o tempo para levar a mudança de temperatura até o
controlador, ou seja, aumenta o tempo morto.


O sistema de controle automático contínuo tem como
característica um controlador cuja saída varia
continuamente, isto é, podendo assumir qualquer valor
compreendido entre os limites máximo e mínimo.
Naturalmente os controladores e os elementos finais de
controle contínuo diferem dos de um controle
descontínuo. No controle descontínuo, a variável
controlada varia em torno do desejado. Nos
sistemas de controle contínuo, a variável controlada
não oscila, mas se mantém constante no set-point.
Caso ocorra algum distúrbio, o sistema só atuará no
sentido de corrigir após perceber esse desvio na
medição.

Os sistemas de controle automático descontínuos
apresentam um sinal de controle que normalmente
assume apenas dois valores distintos. Eventualmente,
este sinal poderá ser escalonado em outros valores.
• Num sistema de controle descontínuo de duas
posições, o controlador apresenta apenas dois níveis
de saída: alto e baixo (ON/OFF).
• Existem também sistemas de controle descontínuos
de tres posições, onde o controlador pode fornecer
um sinal de saída em três níveis (0, 50 e 100%).
 Temos
dois tipos de sistemas de controle
descontínuos:
• De duas posições sem histerese;
 É o tipo de controle em que a variação da variável do
processo é definida apenas por um único ajuste no
elemento controlador.
• De duas posições com histerese;
 É o tipo de controle em que a faixa de variação da
variável do processo é definida por dois ajustes, um
mínimo e um máximo, no elemento controlador
 Gráfico
do comportamento do controle
descontínuo de duas posições sem histerese.
 Gráfico
do comportamento do controle
descontínuo de duas posições com histerese.
• Medição
• Comparação
• Computação
• Correção
O sistema de controle é então um equipamento sensível ao
desvio, corrigindo-o. Ele monitora um sinal na saída de um
processo e atua na entrada do processo.
• COMPARADOR = Tem como função gerar um sinal de erro
proporcional a diferença instantânea entre a variável e setpoint.
• TRATAMENTO DO OFF-SET = Tem como a função processar o
sinal de erro (off-set) gerando um sinal de correção.
• Dependendo da forma como o sinal de erro (off-set) é
processado, podemos dispor de um sistema de controle
contínuo subdividido em:
• Controle Proporcional (P)
• Controle Proporcional + Integral (P + I)
• Controle Proporcional + Derivativo (P + D)
• Controle Combinado (P + I + D)
• Medição
 A função de medição‚ exercida pelos elementos
sensores, avaliam a variável de saída do processo e
geram o sinal de medição.
• Comparação
 A função comparação possui entrada para o sinal de
medição e compara com o valor desejado, que por
sua vez produz um sinal quando existe um desvio
entre o valor medido e o valor desejado. Este sinal
produzido na saída do detetor de erro é chamado de
sinal de erro ou off-set.
• Computação
 A função computação lê o sinal de erro e calcula o
sinal de correção. Este por sua vez irá controlar o
elemento final de controle.
• Correção
 A função de correção é exercida pelo elemento final
de controle na entrada do processo, de acordo com o
sinal de correção.
 Os
sistema de controle automático têm atrasos
de tempo que podem influir seriamente no
desempenho das malhas de controle.
• Atrasos nos meios de medição;
• Atrasos do detector de erro e do amplificador nos
controladores pneumáticos;
• Atrasos de transmissão pneumática;
• Atrasos do elemento final de controle
 Estudaremos
as ações de controle P, PI e PD
em Malha Aberta.
• Controle Proporcional
 A amplitude de correção é proporcional a amplitude do
desvio.
• Controle Proporcional + Integral
 A ação integral repete a correção da ação proporcional ao
longo do tempo. A velocidade da correção no sinal de
saída é proporcional a amplitude do desvio.
• Controle Proporcional + Derivativo
 A ação derivativa antecipa a correção da ação
proporcional. A amplitude de correção é proporcional a
velocidade do desvio.
É
a evolução do controle de duas posições;
 A saída do controlador proporcional pode
assumir qualquer valor desde que
compreendido entre os limites de saída
máxima e mínima, em função do erro
verificado;
 Controladores
com ação
integral são
considerados de ação
dinâmica, pois a saída
dos mesmos é uma
função do tempo da
variável de entrada.
 Nos
controladores com
ação derivativa, a saída
do controlador é
proporcional a
velocidade de variação
do erro na entrada.
 Ganho
do Controlador:
• É uma constante de proporcionalidade entre o erro e o
sinal de saída do controlador (G).
 Banda
Proporcional:
• É a faixa de erro, responsável pela variação de 0 a 100%
do sinal de saída do controlador. Ou ainda o quanto (%)
deve variar o erro, para se ter uma variação total (100%)
da saída. É dado pela equação BP=100/G
 Controlador
Aberta:
Proporcional em Malha
 Controlador
Proporcional + Integral em
Malha Aberta:
 Controlador
Proporcional + Derivativo
em Malha Aberta:
 Ação
Proporcional:
• A característica da ação proporcional é de
acelerar a resposta da variável do processo,
após uma seqüência de variações da própria
variável ou mudança de set-point.
• O estudo da ação proporcional sobre um
processo em malha fechada mostra que a
correção da ação proporcional deixa sempre um
off-set, ou seja, não elimina totalmente o erro.
 Exemplo
numérico ação proporcional:
• Considerando o reservatório a seguir, onde
entram água quente e água fria. A temperatura da
água que sai é regulada por um controlador de
temperatura que age sobre a entrada de água fria.
 Exemplo
numérico ação proporcional:
• Em situação de equilíbrio teremos a PV e SP em 50 ºC:
• Adotando que o ajuste da banda proporcional foi feita
de modo que para cada 1 ºC de erro, o controlador
corrige a vazão de água fria em 5 l/h. Vamos simular
uma variação da PV para 45 ºC. Assim teremos um
novo valor de vazão: (-5 ºC . 5 l/h ) = 100 - 25 = 75 l/h).
Portanto o novo valor de temperatura da PV será:
 Exemplo
numérico ação proporcional:
• O SP ainda não voltou aos 50 ºC, pois temos 4 ºC de
erro. Assim o valor de vazão muda para: (+4 ºC . 5 l/h )
= 100 + 20 = 120 l/h). Portanto o novo valor de
temperatura da PV será:
• A curva resultante mostra que só o proporcional não
corrige o off-set(erro):
 Ação
Proporcional + Integral:
• A característica da ação integral é a de que
corrige a posição da válvula até que não exista
mais desvio. Então adicionando a integral à
proporcional, a indesejável característica do offset poderá ser superada. As duas juntas são
chamadas de: reajuste automático, reposição ou
simplesmente reset.
 Ação
Proporcional + Derivativo:
• A característica da ação derivativa é que a
quantidade de movimento da válvula é
proporcional a velocidade a qual muda a
temperatura. Quanto maior a velocidade do
desvio, maior a amplitude de correção.
 Ação
Proporcional + Integral +
Derivativo:
• Depois de analisar as ações de controle
separadas, chega-se a conclusão de que:
 Ação Proporcional: Não elimina o off-set
 Ação Integral: Elimina o off-set mas não da
estabilidade para a malha de controle.
 Ação Derivativa: Tem um efeito estabilizante no
processo, porém não elimina o off-set.
 Assim nada mais interessante do que juntar as três

A curva resultante da posição da válvula mostra que
primeiramente um excesso de correção foi aplicado
para opor-se ao afastamento da variável do valor
desejado. Este excesso de entrada de energia é
representado pela área E. Logo depois uma correção
inferior a que seria necessária é aplicada e a variável
volta ao valor desejado. Essa segunda correção é
representada pela área F. Nota-se que, finalmente, nem a
ação proporcional nem a ação derivativa permaneceram
com qualquer correção na posição final da válvula;
apenas a ação integral produz esta correção que satisfaz
exatamente a nova condição de carga.



O que é um bom controle?
Existem três critérios para se analisar a qualidade de
desempenho de um controlador. A escolha de um
critério depende do processo em análise. Todos esses
critérios referem-se a forma e a duração da curva de
reação depois de um distúrbio.
O que é o melhor para um processo pode não ser para
outro.

Critério da taxa de amortecimento ou área mínima:
• De acordo com esse critério, a área envolvida pela curva de
recuperação deverá ser mínima. Quando essa área é mínima, o desvio
correlaciona a menor amplitude com o menor tempo.
• Normalmente a área é mínima quando a relação de amplitude entre
dois picos sucessivos é 0,25 (1/4);
• Esse critério é utilizado em processos que tem uma faixa estreita de
trabalho, sendo que qualquer desvio pode ocasionar um produto fora
de especificação. Neste caso o melhor controle é aquele que permite o
afastamento desta faixa pelo tempo mínimo.

Curva de reação do Critério Área Mínima:

Critério do Distúrbio Mínimo
• De acordo com esse critério, as ações de controle deverão criar o
mínimo de distúrbio à alimentação do agente de controle e a saída do
processo;
• Toda vez que se tenha uma condição onde a saída de um processo é a
entrada de outro, as variações repentinas ou cíclicas de saída do
primeiro processo pode ser uma mudança de carga intolerável para o
segundo;
• É aplicado a processo onde ações corretivas constituem distúrbios aos
processos associados. Exemplo: correções repentinas ou cíclicas em
válvulas de controle de vapor podem desarranjar a alimentação de
vapor das linhas alimentadas;
• Para que isso aconteça, é necessário curvas de recuperação não
ciclicas.

Curva de reação do critério de Distúrbio Mínimo

Critério da Amplitude Mínima
• De acordo com esse critério a amplitude do desvio deverá ser mínima.
• É aplicado em processos onde o equipamento ou o produto podem ser
danificados por desvios excessivos, mesmo sendo de pouca duração.
Faz-se necessário o ajuste do controle para que produza desvios de
menor amplitude.
• Exemplo: Na fundição de determinadas ligas metálicas, especialmente
as de alumínio, uma ultrapassagem mesmo temporária de temperatura
pode queimar o metal e reduzir sua qualidade.

Curva reação do critério da Amplitude Mínima

Considerações Gerais:
• Depois que um sistema de controle é instalado, o controlador é ajustado
normalmente até atingir uma performance satisfatória. Quando isso
ocorre dizemos que o sistema foi sintonizado.
• Essa atividade também pode ser chamada de: Sintonia de controlador
ou sintonia de campo.
• Tendo em vista que a sintonia é feita por tentativa e erro, ela resulta
numa tarefa demorada e tediosa. Para minimizar esse problema é
interessante dispor de uma estimativa preliminar dos parâmetros do
controlador.

Considerações Gerais:
• As variáveis normalmente encontradas nas malhas e que necessitam ser
controladas são:
• Vazão
• Nível de Líquido
• Pressão de Gás
• Temperatura
• Densidade

Controles de Vazão:
• As malhas de controle de vazão e pressão de líquidos têm as mesmas
características:
• Respostas rápidas(da ordem de segundos);
• Normalmente não há tempo morto;
• O sensor e o transmissor introduzem atrasos (se forem instrumentos
pneumáticos);
• Perturbações na vazão são freqüentes mas de pouca influência;
• Normalmente são usados controladores PI

Controles de nível de Liquido:
• Sistemas de controle de nível são instáveis em malha aberta;
• O aumento do ganho do controlador reduz a oscilação do sistema;
• As técnicas usuais de projeto e sintonia de controladores não tem boa
performance.
• Normalmente são usados controladores PI

Controles de Pressão de Gás:
• Os sistemas de controle de pressão de gás são fáceis de controlar,
exceto quando envolvem equilíbrio liquido-gás (devido a mudança de
massa entre as fases).
• A ação derivativa não é necessária devido ao tempo de resposta do
processo ser pequeno.
• Normalmente são usados controladores PI

Controles de Temperatura:
• Devido a grande variedade de processos envolvendo transferência de
calor( trocadores de calor, colunas de destilação, reatores, etc...) os
critérios para controle de temperatura são mais difíceis de serem
estabelecidos.
• Em função da presença de tempos mortos e capacitâncias térmicas criase um limite de estabilidade no ganho do controlador;
• Normalmente são usados controladores PID


Sintonia de controladores PID é um assunto muito
importante na área de controle e otimização de
processos, pois caso não estejam bem sintonizados,
todas as outras estratégias de automação mais
avançadas que dependem desse controle regulatório,
funcionarão de forma inadequada;
O efeito de uma má sintonia é o aumento da variância
das variáveis controladas, o que gera perdas
econômicas que são consideráveis.



Se uma malha de controle não opera satisfatoriamente é necessário
investigar as causas para resolver o problema.
É importante lembrar que a malha consiste de vários componentes: sensor,
transmissor, controlador, válvula de controle e o próprio processo. Então o
problema muitas vezes pode estar relacionado a um desses componentes e
nem sempre da sintonia.
Alguns fatores que deixam a malha instável ou excessivamente lenta são:
• Mudança das condições do processo, normalmente vazão de carga;
• Emperramento de haste da válvula de controle;
• Linha entupida de transmissor de pressão;
• Trocadores de calor sujos, especialmente refervedores de colunas de destilação;
• Cavitação de bombas.

Método da Sensibilidade Limite:
• É um método desenvolvido por Ziegler e Nichols;
• Permite o calculo dos três ajustes a partir dos dados obtidos em
um teste simples das características da malha de controle;
• Este método, baseado no ajuste de uma malha fechada até se
obterem oscilações com amplitude constante, utiliza um conjunto
de fórmulas para determinar os parâmetros do controlador, as
quais requerem duas medidas do sistema: o Ganho critico (Gu :o
ganho mínimo que torna o processo criticamente estável), e o
período de oscilação correspondente, Pu .




Procedimento para a Calibração dos Parâmetros do Controlador:
1. Reduzir as acções integral e derivativa ao seu efeito mínimo;
2. Iniciar o processo com ganho reduzido;
3. Aumentar o ganho até que a variável controlada (saída do
sistema) entre em oscilações com amplitude constante, enquanto se
provocam pequenas perturbações no sistema. Anotar o ganho, Gu,
e o período de oscilação Pu.

Com a obtenção destes valores, podemos calcular os parâmetros
do controlador com base nas seguintes fórmulas: