Introdução ao Controle Automático.ppt

Introdução ao
Controle Automático

Proposta de Estudo
 PARÂMETROS FIXOS DO PROCESSO
 Tempo Morto
 Resistência
 Capacitância
 Tipos Básicos de Processo
 Estabilidade do Processo
 Malha de Controle
 Malha Aberta x Malha Fechada
 Conceito de Realimentação
 Funções Básicas da Realimentação
 Malha de Controle por Realimentação
 Controle em Cascata
 Controle de Razão
 Controle Antecipatório
 Split Range
 Realimentação X Antecipatório
 PARÂMETROS AJUSTÁVEIS DO CONTROLE
 Ação Proporcional
 Ação Integral
 Ação Derivativa
 Resposta de um Controle P, PI e PID

Introdução
Variável de Processo – é qualquer variável física que possui o
Valor alterável com o tempo e com o espaço.
Variável controlada – é aquela que se quer manter constante
Mesmo que haja influência de outras variáveis que tenderiam
Modificar o seu valor.
Variável controlada – é aquela que é monitorada pelo
Controlador para influir no valor da variável controlada.
Variáveis de carga – demais.

Tipos de distúrbios
-DISTÚRBIOS DE ALIMENTAÇÃO
-DISTÚRBIOS DE DEMANDA
-DISTÚRBIOS DE SET POINT

Parâmetros Fixos do Processo
-Tempo Morto
-Resistência
-Capacitância

Tempo Morto
Tempo decorrido após
ocorrência de um distúrbio
no processo até que seja
notada uma mudança
na saída do mesmo.
Tempo decorrido após
ocorrência de um distúrbio
no processo até que seja
notada uma mudança
na saída do mesmo.

Tempo Morto
Quanto maior o tempo morto, mais difícil é o controle.

Resistência
Resistência – São as partes do processo que resistem
a uma transferência de energia ou de material.
Exemplos:
-A serpentina apresenta uma resistência de a
transferência de calor do vapor para o produto;
-A oposição exercida pela Resistência Elétrica aa
corrente elétrica;
-Válvula, conexão ou restrição na tubulação também são
Resistências.

Capacitância
Capacitância é um elemento do processo capaz de
acumular matéria ou energia.
- A capacitância atenua os distúrbios do processo.
-O tamanho de uma capacitância é a medida entre
uma “quantidade” por uma variável de referência.

Capacitância
Capacitância é uma medida das características
próprias do processo para manter ou transferir
a quantidade de energia ou de material com
relação a uma quantidade unitária de
alguma variável de referência.
Capacidade = ((5,64)24)/4=100 m3
Capacitância = 100/4= 25 m3/m
Capacidade = ((4)28)/4=100 m3
Capacitância = 100/8=12,5 m3/m
 4 m
 5,64 m

 Aplicar o slide no. 11, 13, 15 do
Chap_06_ Empirical Model Identific de
Marlin

Tipos Básicos de Processo
-Quanto a capacidade de se controlar sem auxílio externo
-Quanto a habilidade de amortecer os distúrbios que aparece
1) AUTO REGULANTE
2) INTEGRANTE
3) RUN AWAY (muito instável)

AUTO REGULANTE
- Possui uma espécie de controle interno, inerente a ele.
- Possui um amortecimento, de modo que ele se regula
automaticamente.
- Fácil de ser controlado.

INTEGRANTE
-Não atinge um valor limite estável, quando se aplica um
degrau unitário na sua entrada.
-Sua saída varia conforme uma rampa ascendente;
-Não pode ser deixado sem controle por um longo tempo.
-Existe um único ponto de equilíbrio entre entrada e saída.

RUN AWAY (instável)
- Até um certo ponto da Variável Principal, seu comporta-
mento se assemelha a um processo Auto-regulante.
Daí em diante vai se tornando cada vez mais instável.
-Não pode ser deixado sem controle.
- Existe um único ponto de equilíbrio entre entrada e saída.
-Apresenta uma curva com mudança de concavidade (tem
ponto de inflexão)

AUTO REGULANTE-ESTÁVEL INTEGRANTE-INSTÁVEL

RUN AWAY – MUITO INSTÁVEL

Controle
Manter os processos industriais dentro de seus pontos
operacionais mais eficientes;
 Mostrar dados sobre o processo aos operadores da
planta para que eles possam manter o mesmo em ritmo
seguro e eficiente.

AÇÕES DE CONTROLE
Proporcional
Integral
Derivativa

Ação Proporcional
O efeito da ação proporcional é acelerar a resposta da
Medida e tem como conseqüência a geração do erro de
Off-set.
S = Gr( PV – SP ) + So
S = Gr( SP – PV ) + So

 Após uma variação de set point a variável do processo buscará o SP em
todos os casos
 Após uma perturbação, a variável do processo afastar-se-a do setpoint.
Ação Proporcional

 Um aumento de Kp acelera a resposta do processo, provoca uma
diminuição do OFF-SET, mas aumenta as oscilações.
 O valor ótimo de Kp é aquele que resulta em uma resposta rápida com
bom amortecimento.
Ação Proporcional

 O objetivo da ação integral é eliminar o desvio entre a
variável do processo e o SetPoint.
 O sinal de saída do controlador é proporcional a
integração do erro (PV-SP).
Ação Integral
 A ação integral é geralmente associada à ação proporcional.

Ação Integral
 Um aumento excessivo da ação integral (diminuição de Ti),
aumenta a instabilidade do processo.
 O resultado é um compromisso entre a velocidade e a estabilidade

Ação Derivativa
A ação derivativa tem o efeito de compensar o tempo morto
Do processo. Ela estabiliza a malha, mas um valor excessivo
Pode levar a mesma a oscilação ( instabilidade ).
S = Td d ( PV – SP )
dt
S = Td d ( SP – PV )
dt

Ação Derivativa
 O objetivo da função derivativa é compensar os efeitos do
tempo morto do processo.
 Tem um efeito estabilizante mas um valor excessivo pode entrar
em uma instabilidade.
 A saída do controlador derivativos é proporcional a derivada do
erro (PV-SP).
 O CONTROLADOR PID

Ação Derivativa
Amplificação de Ruído pela Derivada

Resposta de um Controle PI e PID
Processo com um grande tempo morto
PID
PI

Estabilidade do Processo
-A finalidade do sistema de controle é a de produzir o
processo estável, com uma resposta desejada aos
distúrbios do processo.
-O bom sistema de controle deve estabilizar o processo,
que seria instável sem o sistema de controle.
-O sistema é estável, se para qualquer entrada limitada
a saída é também limitada.

Estabilidade do Processo
O sistema é instável quando a
introdução de um distúrbio no
processo, mesmo transitório,
provoca a oscilação na variável
ou a leva para um valor que
cresce continuamente.

Critérios de Desempenho de uma
Malha de Controle
O que é um bom controle?
 Critério da Taxa de Amortecimento ou Área Mínina
 Critério do Distúrbio Mínimo
 Critério da Amplitude Mínima
 Ação proporcional
 Ação Integral
 Ação Derivativa

Critério da taxa de
amortecimento mínima
 O desvio que correlaciona a menor amplitude entre dois picos
sucessivos é 0,25, ou seja cada onda será um quarto da precedente
 Se aplica aos processos onde a duração do desvio é tão importante
quanto a amplitude do mesmo.
 Existem processos onde desvio além de uma faixa estreita podem
ocasionar um produto fora de especificação.

Critério do distúrbio mínimo
 As ações de controle deverão criar o mínimo de distúrbio à
alimentação do agente de controle e a saída do processo.
 Aplica-se a malhas de controle onde as ações corretivas constituem
distúrbios aos processos associados.
 Correções repentinas ou cíclicas a uma válvula de controle de vapor pode
desarranjar a alimentação de vapor e causar sérios distúrbios a outros
processos alimentados pela mesma linha.

Critério da amplitude mínima
 A amplitude do desvio deverá ser mínima. A amplitude do desvio é
mais importante que sua duração.
 Aplica-se especialmente aos processos onde o equipamento ou o produto
podem ser danificados por desvios excessivos, mesmo sendo de pouca
duração
 Uma ultrapassagem mesmo temporária de temperatura pode queimar o
metal e reduzir consideravelmente sua qualidade.
 Nitração do tolueno na fabricação de TNT (explosivo). 5oF

Métodos de Sintonia de Controle
Tipo FEEDBACK
 Métodos de aproximações sucessivas ou tentativa e erro
 Métodos que necessitam de identificação do processo
 Métodos de ZIEGLER e NICHOLS em malha fechada
 Métodos de auto-sintonia

 Consiste em modificar as ações de controle e observar os efeitos
na variável de processo.
Passos:
1. Eliminar a ação integral (Ti =Infinito) e a ação derivada (Td = 0)
2. Coloque K num valor baixo (Kc = 0,5) e coloque o controlador em automático.
3. Aumente o Kc aos poucos até o processo ciclar continuamente nos casos
de servos e regulador.
Método de aproximações sucessivas ou
tentativa e erro

4. Reduza Kc a metade
5. Diminua Ti aos poucos até o processo ciclar continuamente nos casos servos
e regulador. Ajuste Ti para 3 vezes o valor.
6. Aumente Ti aos poucos até o processo ciclar continuamente nos casos servos
e regulador. Ajuste Ti para 1/3 do valor
tentativa e erro

 O valor de Kc quando
o processo cicla
continuamente é
chamado de último
ganho (ultimate gain)
sendo representado
por Kcu.
tentativa e erro

tentativa e erro - Desvantagens

Método que necessitam
identificação do processo

É um dos métodos que permite o cálculo das ações de controle sem a
necessidade dos parâmetros do processo.
O critério de desempenho escolhido por Ziegler e Nichols foi o de resposta de
amortecimento de 1/4
Método de ZIEGLER e NICHOLS

6.12

 O teste termina quando se
obtém uma oscilação contínua
da variável do processo como
mostrado na figura ao lado
Anotar o ganho do controlador que
ocasionou a oscilação contínua (Gcr)
Diminuir o ganho proporcional para
estabilizar a variável controlada (PV)
Medir o período T

 O sistema é excitado por um relé que causa oscilações no sistema com
pequena amplitude. A amplitude pode ser restrita pelo ajuste da amplitude de
entrada.
 Normalmente um experimento em malha fechada é suficiente para encontrar
o modêlo dinâmico, e o experimento não requer alguma informação prévia
do modêlo.
Métodos de auto-sintonia

Tipo de
controlador
Equação do controlador Vantagens Desvantagens
Proporcional
P
 Simples
 Poucos
parâmetros
 permite off-set
Proporcional
+Integral
PI
 Elimina off-set
 2 parâmetros a ajustar
 Pode causar oscilação
 Resposta vigorosa a
mudança no setpoint
Integral +
Proporcional
I-P
 Elimina off-set
 Mudança no
SP causa
menor MV
 Pode causar oscilação
Proporcional
+ Integral
+ Derivativo
PID
 Elimina off-set
 Diminui a
oscilação
 Muito sensível a ruído
 Resposta vigorosa
a mudança no setpoint
Integral +
Proporcional
+ Derivativo
I-PD
 Elimina off-set
 Diminui oscil.
 SP causa
menor MV
 Muito sensível a ruído
 
  bias
PV
SP
BP
t
Out
ou
bias
PV
SP
Kc
t
Out







100
)
(
.
)
(
bias
dt
I
Kc
t
Out
ou
bias
dt
Kc
t
Out
t
t
I














0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(



 
 
  bias
dt
I
PV
Kc
t
Out
ou
bias
dt
PV
Kc
t
Out
t
t
I


















0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(



bias
dt
d
D
dt
I
Kc
t
Out
ou
bias
dt
d
dt
Kc
t
Out
t
D
t
I























 

0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(
   
    bias
dt
PV
d
D
dt
I
PV
Kc
t
Out
ou
dt
PV
d
dt
PV
Kc
t
Out
t
D
t
I














 









0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(

 


 
  bias
PV
SP
BP
t
Out
ou
bias
PV
SP
Kc
t
Out







100
)
(
.
)
(
bias
dt
I
Kc
t
Out
ou
bias
dt
Kc
t
Out
t
t
I














0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(



 
 
  bias
dt
I
PV
Kc
t
Out
ou
bias
dt
PV
Kc
t
Out
t
t
I


















0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(



bias
dt
d
D
dt
I
Kc
t
Out
ou
bias
dt
d
dt
Kc
t
Out
t
D
t
I























 

0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(
   
    bias
dt
PV
d
D
dt
I
PV
Kc
t
Out
ou
dt
PV
d
dt
PV
Kc
t
Out
t
D
t
I














 









0
0
.
.
.
.
)
(
1
.
)
(

 

Tipo de
controlador
Equação do controlador Recomendado para
NÃO é recomendado
para
Proporcional
P
 L (nível)
 P (pressão)
 F (vazão)
 T (temperatura)
 A (composição)
 Controlador escravo
da malha cascata
Proporcional+
Integral
PI
 L (nível)
 P (pressão)
 F (vazão)
 T (temperatura)
 Variável muito lenta
Integral +
Proporcional
I-P
 L (nível)
 P (pressão)
 F (vazão)
 T (temperatura)
 Variável muito lenta
 Controlador escravo
da malha cascata
Proporcional+
Integral
+ Derivativo
PID
T (temperatura)
 A (composição
 L (nível)
 F (vazão)
Integral +
Proporcional
+ Derivativo
I-PD
T (temperatura)
 A (composição
L (nível)
 F (vazão)
 Controlador mestre

Controle
-Controle Manual
-Controle em Malha Fechada

Malha de Controle
Unidade de
Medida
Processo
Indicação
Aberta

Conceito de Realimentação
Tipos de Controle: Por Realimentação
Antecipatório
Cascata
Razão / Relação
Adaptativo
Supervisório
Digital Direto
Distribuído
Inteligência Artificial
Desacoplamento

Funções Básicas da
Realimentação
1 – A variável a ser controlada é medida;
2 – A medição é comparada com o set point ( SP ).
A diferença entre a medição e o set point é o sinal
de erro.
3- Uma variável de processo é ajustada ou manipulada
para diminuir ou zerar ou erro.

Controle por Realimentação
da Temperatura de uma Casa

Controle ON-OFF
Controle de Temperatura de uma Residência

Malha de Controle
Elemento Final
de Controle
Unidade de
Medida
Processo
Controlador
Fechada

Malhas de Controle Automático
TIPO FEEDBACK

Controle de Nível em um Tanque
Controle Modulante

Resposta do Set Point do Nível de Líquido

Durante uma variação na pressão Pe, consequentemente na vazão Qc,
o controle age atuando na válvula TCV!, até o reequilíbrio de Ts.
Controle em Cascata

 A malha interna corrige rapidamente as variações da vazão de
combustível Qc provocadas pelas variações de pressão Pe.
 Nota-se que a temperatura Ts tem pouca variação.
Controle em Cascata

Controle em Cascata
TROCADOR DE CALOR
 A malha escrava regula a vazão de vapor e a malha mestre regula a
temperatura de saída.

Controle de Razão
 O controle consiste em determinar uma vazão QA a partir de uma outra
chamada de vazão livre (ou piloto) QL

Controle Antecipatório - FF
MALHA ABERTA
 A malha aberta fornece uma correção na vazão de combustível
instantaneamente para qualquer variação em Qc, de modo que não
repercuta na variável controlada Ts.
 O controle Feed Forward se justifica se a variável perturbadora (Qc)
provoca grandes variações na variável do processo Ts,

Malha de controle que associa uma malha fechada a uma malha aberta.

Controle de Nível - Caldeira

Split Range
 O controle split-range é uma montagem particular que utiliza no mínimo
dois elementos finais de controle comandados simultaneamente pelo
mesmo sinal.
 Quando a rangeabilidade necessária para uma aplicação é maior que a
rangeabilidade de um único elemento final de controle.

 Quando é necessário
utilizar dois elementos finais
de controle indiferente da
situação (fig. Direita).
Split Range
 A montagem split-
range necessita de
posicionadores que
permitam efetuar em
cada EFC o seu curso
nominal para uma
parte do sinal do
controlador.

Realimentação X Antecipatório

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