Processos em Engenharia:
Conceitos de Controle de Processos e
Ações de Controle Elementares
Prof. Daniel Coutinho
[email protected]
Departamento de Automação e Sistemas – DAS
Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC
DAS 5101 - Aula 4 – p.1/43
Sumário
• Conceitos Básicos de Sistemas de Controle
• Ações de Controle Elementares:
1. Controle Liga-Desliga
2. Ação Proporcional
3. Ação Integral
4. Ação Derivativa
• Exemplo
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Introdução - I
• Processos industriais – métodos utilizados para modificar
e/ou transformar matéria-prima com o objetivo de criar um
produto final.
• A matéria-prima pode passar e/ou permanecer em estado
líquido, gasoso ou líquido-sólido durante a realização de
um processo (transferência, mistura, separação,
aquecimento, armazenamento, manipulação).
• Controle de processo – metodologia utilizada para controlar
certas variáveis do processo quando manufaturando um
determinado produto.
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Introdução - II
• Exemplos de controle de variáveis – proporção de um
ingrediente com relação a outro, a temperatura dos
materiais, mistura e ou separação de ingredientes, pressão,
etc.
• Objetivos no controle das variáveis de um processo:
• Redução da variabilidade dos produtos;
• Aumento da eficiência (e/ou qualidade do produto);
• Aumento da segurança de operação do processo.
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Introdução - III
• Redução da variabilidade: o set-point (condição de
operação) pode ser colocado próximo ao ponto de produção
ótimo.
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Introdução - IV
• Aumento da Eficiência:
• O ponto de operação pode ser mantido próximo ao
ponto específico para maximizar a eficiência.
• Por exemplo, a variável de processo que configura o
ponto de operação pode ser a temperatura em um reator
químico.
• Um controle da temperatura pode maximizar a reação
química no reator.
• A minimização dos recursos para a produção de um
produto pode aumentar o lucro na produção.
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Introdução - V
• Segurança de operação:
• Processos operando sem controle (malha aberta) ou que
perdem o controle (instáveis) podem levar a situações
catastróficas (explosões, perda completa da produção,
etc.), por exemplo, em usinas nucleares e na indústria
petro-química.
• Em muitos casos, um preciso controle de certas
variáveis do processo é necessário para assegurar uma
faixa segura de operação.
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Sistema de Controle - I
• Um sistema de controle possui três ações básicas:
1. Medição (medir a variável de processo)
2. Comparar com o valor desejado (set point)
3. Correção ou ajuste (lei de controle)
• Por exemplo, em um controle de nível em um tanque, é
necessário medir o nível do tanque (LT) e transmiti-lo para
o dispositivo de tomada de decisão (LIC).
• Esse valor é então comparado com um valor
pré-determinado de operação (SP).
• O controle então envia um sinal de correção ao elemento de
atuação (no caso uma válvula controlada).
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Sistema de Controle - II
• Diagrama de um controle de nível
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Terminologia - I
• Existem vários termos normalmente utilizados na área de
controle de processos. Com base no exemplo anterior:
1. Variável do processo (PV) – altura da coluna de líquido
(ou vazão de saída).
2. Variável medida – às vezes a variável medida não
corresponde a variável do processo (e.g., sensor de
pressão para estimar o nível).
3. Ponto de operação ou valor de referência (SP) – valor
desejado para o nível de líquido (ou vazão).
4. Variável manipulada (MV) – é a abertura da válvula de
saída.
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Terminologia - II
• Sistema Realimentado:
Variável Manipulada
sinal de erro
Variável do Processo
SP
+
Processo
Controlador
_
Transmissor
(sensor)
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Equipamentos e Tecnologia - I
• Para executar as operações básicas de sistemas de controle
(medição, comparação e correção) existem diversos
equipamentos e estratégias.
• Os modernos equipamentos de controle de processos
podem executar mais de uma função básica.
• A seguir, apresentam-se alguns dos equipamentos
utilizados em controle de processos:
1. Elemento primário (sensor): células de carga (strain
gauges), RTD, termopares, placas de orifício, tubos de
Pitot, tubos de Venturi, emissores e receptores
ultra-sônicos, células capacitivas, etc.
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Equipamentos e Tecnologia - II
2. Transdutores: transforma um sinal mecânico em um sinal
elétrico.
3. Conversores: transforma um tipo de sinal (corrente) em
outro tipo (tensão).
4. Transmissores: são dispositivos que convertem a leitura de
um sensor ou transdutor em um sinal padrão (tensão: 0-5V,
1-5V ou corrente: 4-20mA) e o transmite para um indicador
(monitor) ou um controlador. Exemplos: transmissor de
pressão, transmissor de vazão, transmissor de nível, etc.
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Equipamentos e Tecnologia - III
• A informação transmitida pelos diversos equipamentos
industriais de controle de processos pode ser através de
sinais: penumáticos, sinais analógicos (tensão ou corrente)
e digitais.
• Sinais Pneumáticos: são sinais produzidos pela
modificação de pressão de ar em tubo de transmissão
devido a modificação na variável medida. A variação de
pressão padrão na indústria de processos é 3-15 psi (3psi =
Low Range Value e 15 psi = Upper Range Value).
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Equipamentos e Tecnologia - IV
• Sinais Analógicos: o padrão de transmissão na indústria é
um sinal de corrente de 4-20 mA. O sinal de 4 mA
corresponde ao menor valor possível, enquanto 20 mA
corresponde ao maior valor. Outros padrões também
encontrados em equipamentos industriais são 1-5V e 0-5V.
• Sinais Digitais: os equipamentos mais modernos tem
capacidade de transmitir sinais digitais utilizando
protocolos de comunicação industriais. Os protocolos mais
usados são o HART (highway addressable remote
transducer), FiledBus, Profibus, DeviceNet e Modbus.
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Equipamentos e Tecnologia - V
• Indicadores: são dispositivos utilizados para visualização
das variáveis medidas.
• Registradores: são dispositivos que registram (armazenam)
a informação proveniente de um dispositivo de medição ou
atuação (transmissor, controlador, atuador).
• Controladores: são os dispositivos que implementa a ação
de controle através da comparação da variável medida com
o seu valor desejado (SP).
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Equipamentos e Tecnologia - VI
• CLP (ou PLC – programmable logic controller): são
basicamente computadores dedicados ao controle de
processos, contendo várias portas de entrada e saída
(analógicas e digitais on/off isoladas). Estes dispositivos
podem realizar um conjunto de operações de maneira a
implementar digitalmente uma lei de controle para regular a
variável medida no valor SP.
• SCD (DCS – distributed control systems): são
controladores que em adição as funções executadas pelos
CLPs permitem a leitura das mais diversas variáveis de
processo, armazenamento de dados, sistemas de supervisão
e segurança e interface avançada homem-máquina.
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Equipamentos e Tecnologia - VII
• Elementos finais de controle (atuadores): é o dispositivo no
sistema de controle que atua no sistema de maneira a
modificar a variável manipulada.
• No exemplo do controle de nível, o elemento final de
controle é a válvula de saída que é utilizada para modificar
a vazão de líquido na saída (e, portanto, para modificar o
nível de líquido no tanque).
• Em um sistema de controle, a velocidade com a qual o
elemento final atua é muito importante. Grande parte da
pesquisa sobre elementos finais busca melhorar a resposta
dinâmica dos elementos finais de controle.
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Simbologia - I
• Simbologia ISA (Instrumentation, Systems, and
Automation Society) S5.1
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Simbologia - II
• Um círculo representa um elemento individual de
instrumentação (transmissores, sensores, e detectores).
• Um quadrado com um círculo interno representa um
instrumento que possui um display de leitura e também
realiza alguma função de controle.
• Os transmissores modernos são equipados com
microprocessadores que podem realizar a operação de
controle e enviar o sinal de atuação para o elemento final.
• Um hexágono representa uma operação em um computador
(como as realizadas pelos controladores).
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Simbologia - III
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Simbologia - IV
• Um quadrado com um losango interno representa um CLP.
• Note que a simbologia também indica a posição aonde se
encontra o equipamento:
1. Sala de comando
2. Em uma posição auxiliar (hack de instrumentação)
3. Diretamente no processo (em campo)
4. Inacessível (localizado atrás de algum painel)
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Simbologia - V
• Elementos finais de controle:
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Simbologia - VI
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Simbologia - VII
• Letras de identificação:
1. A variável sendo medida (T temperatura, F flow, P
pressão)
2. A função do dispositivo (T transmissor, C controle)
3. Modificadores adicionais (H alto, L baixo)
• Números de identificação: se referem a uma malha de
controle em particular.
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Simbologia - VIII
• As letras de identificação tem uma designação baseada na
posição:
• A primeira letra indica a variável medida.
• A segunda letra indica uma modificação (modifier), um
visualizador (readout) ou função do dispositivo.
• A terceira letra indica ou a função de um dispositivo ou um
modificador.
• Exemplos: FIC (flow indicating controller), TT
(temperature transmitter) e PT (pressure transmitter).
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Simbologia - IX
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Ações de Controle
• O controlador é o dispositivo que realiza determinadas
operações matemáticas sobre o sinal de erro e(t) a fim de
produzir um sinal de controle (atuação) u(t) de maneira a
levar a variável controlada ao seu valor desejado (SP).
• As operações matemáticas são chamadas de ações
(elementares) de controle.
• As ações de controle podem ser divididas em grupos de
acordo com as funções executadas pelo controlador:
1. Ação bang-bang
2. Ação Proporcional
3. Ação Integral
4. Ação Derivativa
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Controle Bang-Bang - I
• O sinal de controle pode assumir dois valores:
u(t) =

 u

u
se
e(t) > 0
se
e(t) < 0
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Controle Bang-Bang - II
• Quando u = 0 (ou u = 0), a ação de controle bang-bang é
chamada de ação liga-desliga.
• A ação bang-bang apresenta uma indefinição para e(t) = 0.
Isto pode levar a comutações espúrias (devido ao ruído) ou
a frequencias de comutação muito elevadas.
• Para evitar esses problemas, inclui-se uma histerese:
• Se u(t) = u, é necessário que e(t) < e− para que
u(t) → u.
• Se u(t) = u, é necessário que e(t) > e+ para que
u(t) → u.
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Controle Bang-Bang - III
• Controle bang-bang com histerese:
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Ação Proporcional - I
• A ação de controle é proporcional à amplitude do valor do
sinal de erro:
u(t) = Kp e(t)
• Quanto maior o ganho proporcional Kp , menor será o erro
(entre a variável medida e o SP).
• Em termos de resposta transitória, quanto maior o ganho,
maior é a velocidade da resposta do sistema em malha
fechada.
• No entanto, a resposta do sistema tende a ficar oscilatória
(podendo chegar a instabilidade).
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Ação Proporcional - II
20(s + 5)
G(s) =
(s + 2)(s + 10)(s + 15)
Step Response
SP
1
Kp = 20
Amplitude
0.8
Kp = 10
0.6
Kp = 5
0.4
0.2
0
Kp = 1
0
0.5
1
1.5
Time (sec)
2
2.5
3
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Ação Proporcional - III
• Na área de controle de processos, encontram-se duas
formas de especificação da ação proporcional:
Saída%
1. Ganho proporcional percentual: KP = ∆∆Entrada
%
2. Banda proporcional: é o percentual de mudança na
entrada que causará uma modificação na saída do
controlador P B =
∆Entrada (% Span)
100%∆Saída
• Relação entre KP e P B:
100
1
PB =
× 100%
, KP =
KP
PB
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Ação Proporcional - IV
• Relação entre KP e P B:
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Ação Integral - I
• A ação de controle integral consiste em aplicar um sinal de
controle proporcional à integral do erro:
Z t
1
u(t) =
e(τ )dτ
Ti 0
onde Ti é chamado de tempo integral (reset-time).
• A ação integral armazena a energia do erro, e quando o erro
é nulo, o sinal de controle é proporcional a energia
armazenada.
• Uma outra forma de analisar a ação integral é através da
duração do erro.
• A saída da ação integral, nesse caso, é proporcional a
duração do erro.
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Ação Integral + Proporcional
•
Reset lento (Ki ↓ ou Ti ↑)
•
Reset rápido (Ki ↑ ou Ti ↓)
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Windup - I
• Os processos em geral tem atuação de controle limitada
(saturação).
• Por exemplo, em um sistema com controle de nível, a abertura da
válvula de controle tem atuação limitada entre a válvula toda
aberta e a válvula toda fechada.
• Quando o controlador possui uma ação integral, uma grande
diferença transitória entre o valor SP e o valor de P V for grande
existirá um acúmulo de erro ao longo do tempo que tende a gerar
um grande sobre-sinal na resposta (de maneira a anular – reset –
o acumulo de ação integral).
• Este efeito é conhecido na literatura como Reset Windup.
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Windup - II
• Para evitar esse fenômeno, utiliza-se um mecanismo de correção
na ação integral chamado de Anti Reset Wind-up (ARW).
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Ação Derivativa - I
• A ação derivativa corresponde à aplicação de um sinal de
controle proporcional à derivada do erro:
de(t)
u(t) = Td
dt
• A ação derivativa é uma medida da tendência do sinal de
erro (predição) e visa acelerar a resposta dinâmica do
sistema de controle.
• Para variações rápida de e(t), u(t) → ∞. Então:
U (s)
U (s)
s
= Td s ⇒
= Td
E(s)
E(s)
s+p
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Ação Derivativa - II
• O pólo em p serve para limitar o ganho em alta-frequência
visando evitar que o sinal de controle tenha um valor elevado
quando existe uma modificação abrupta do sinal de referência (o
que poderia levar a saturação do atuador).
• Uma outra forma de implementar a ação derivativa é aplica-la
diretamente no sinal de saída e nesse caso o próprio processo
funcionaria como um filtro de alta frequência.
MV
SP
PI
+
+
−
PV
Processo
−
D
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Ação Derivativa + Proporcional
•
Somente ação proporcional
•
Inclusão da ação derivativa pura
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Aula de Simulação
• Aula de simulação utilizando o software Control Station.
⇒ Manual disponível na página.
• Processo com dois tanques (acoplamento vertical).
• Avaliação malha aberta vs malha fechada (perturbação de
carga).
• Ação proporcional (erro em regime permanente).
• Ação integral (erro nulo em regime permanente).
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