Aula-02_CP_introducao (1)

107484 – Controle de Processos Aula: Introdu¸c˜ao ao controle de processos Prof. Eduardo Stockler Tognetti Departamento de Engenharia El´ etrica Universidade de Bras´ılia – UnB

1o Semestre 2020

E. S. Tognetti (UnB)

Controle de processos

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Sum´ario

1

Introdu¸c˜ao

2

Elementos de controle

3

Configura¸c˜ oes de controle

E. S. Tognetti (UnB)

Controle de processos

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Introdu¸c˜ao Processo Convers˜ao de um material de entrada num produto por meio de opera¸c˜ oes qu´ımicas e f´ısicas. Controle de processos Manuten¸c˜ao de vari´aveis de processo (press˜ao, temperatura, fluxo, pH, composi¸c˜ao etc) em algum valor operacional desejado.

Processo Entradas/ dist´ urbios

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Sa´ıda

Controle de processos

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Trocador de Calor Problema: Considere o problema de controle de temperatura de um trocador de calor tendo como fonte de energia o calor latente da condensa¸c˜ao do vapor Objetivo: Aquecer fluido que entra a uma temperatura Te (t) at´e uma temperatura desejada Tr (t) Te (t), f (t)

Tv (t), fv (t) vapor

´agua fria

T (t)

condensado

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´agua quente

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Sum´ario

1

Introdu¸c˜ao

2

Elementos de controle

3

Configura¸c˜ oes de controle

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Elementos do controle autom´atico Classifica¸c˜ao de vari´aveis de processo Vari´aveis de entrada (efeito da vizinhan¸ca no processo):

Vari´aveis manipuladas (MV) Dist´ urbios (d) Vari´aveis de sa´ıda (efeito do processo na vizinhan¸ca):

Vari´aveis medidas ou n˜ao medidas Vari´aveis controladas (CV) ou n˜ao controladas d (medido) d (n˜ao medido)

MV’s

Processo

sa´ıdas medidas

sa´ıdas n˜ao medidas

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Elementos do controle autom´atico Vari´avel controlada (CV, do inglˆes controlled variable): vari´avel que deve ser mantida ou controlada em determinado valor desejado. Pode ser medida ou calculada (inferˆencia). O termo vari´avel de processo (PV, do inglˆes process variable) tamb´em pode ser empregado. Referˆencia ou ponto fixo (SP, do inglˆes set-point): valor desejado da CV. Vari´avel manipulada (MV, do inglˆes manipulated variable): vari´avel cujo valor ´e ajustado por um operador humano ou controlador autom´atico para manter a CV em seu SP. Vari´avel de dist´ urbio (d): Qualquer vari´avel cujo valor n˜ao ´e resultado de um ajuste de um operador ou controlador que fa¸ca com que a CV se desvie de seu SP. N˜ao s˜ao influenci´aveis e podem ou n˜ao ser medidas. Tamb´em chamadas de perturba¸c˜ao de carga ou de alimenta¸c˜ao (vari´avel de entrada). Varia¸c˜ oes nas vari´aveis de sa´ıda n˜ao controladas que podem provocar pertuba¸c˜ oes no processo s˜ao chamadas de dist´ urbios de demanda.

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Elementos do controle autom´atico Identifique as vari´aveis do trocador de calor Vari´aveis de entrada:

Vari´aveis manipuladas Dist´ urbios Vari´aveis de sa´ıda:

Vari´aveis medidas estrat´egia de controle

definem

Vari´aveis controladas Vari´aveis n˜ao controladas Te (t), f (t)

Tv (t), fv (t) vapor

´agua fria

T (t) condensado

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´agua quente

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Elementos do controle autom´atico Elementos de medi¸c˜ao (simbologia de medi¸c˜ao de temperatura) Sensor (elemento prim´ario): TE converte a vari´avel de processo em uma forma mensur´avel; montado diretamente junto ao processo. Exemplo: termopar, term´ıstores etc. Transmissor (elemento secund´ario): TT converte o valor da vari´avel medida em um sinal eletrˆ onico ou pneum´atico padr˜ao adequado `a transmiss˜ao ao controlador ou indicador. Conversor: TY dispositivo que converte um sinal em outro tipo de sinal; normalmente instalado entre o sensor/ transmissor e o controlador/ indicador ou entre o controlador e o elemento final de controle. Exemplo: conversor de corrente (4 − 20mA) para tens˜ao (0 − 10V), conversor el´etrico-pneum´atico P/I ou I/P (4 − 20mA para 3 − 15psi) Transdutor: transforma uma forma de energia em outra; muitos s˜ao classificados como sensores. Exemplo: termopar (converte temperatura em tens˜ao) E. S. Tognetti (UnB)

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Elementos do controle autom´atico Elementos de controle e atua¸c˜ao (simbologia de controle de temperatura) Controlador: TC ou TIC instrumento cuja sa´ıda ´e modificada para regular uma vari´avel controlada. Pode ser el´etrico ou pneum´atico, anal´ ogico ou digital Elemento final de controle: TV instrumento que atua diretamente no processo manipulando uma vari´avel conveniente (vari´avel manipulada) em fun¸c˜ao do sinal de comando recebido. Em processos cont´ınuos, normalmente ´e uma v´alvula de controle mas pode ser bombas de velocidade vari´avel, motores el´etricos, aquecedores el´etricos etc Atuador: Parte do elemento final de controle que recebe o sinal de acionamento; pode ser el´etricos, pneum´aticos ou hidr´aulicos.

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Objetivo

Objetivo do controle de processo Propor algoritmos para ajustar a vari´avel manipulada para manter a vari´avel controlada em seu ponto fixo independentemente da ocorrˆencia de dist´ urbios.

Controle Regulador Objetiva manter a vari´avel controlada fixa independentemente da presen¸ca de dist´ urbios. Sistema de controle projetado para compensar dist´ urbios. Controle Servo Objetiva que a vari´avel controlada acompanhe uma referˆencia vari´avel. O dist´ urbio mais importante a ser compensado ´e a pr´ opria referˆencia.

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Malha Aberta e Malha Fechada Sinal de controle

u(t)

Processo

Sa´ıda

y (t)

Controle em malha aberta.

r (t) e(t) + Sinal de referˆencia −

u(t) Controlador

erro

Sinal de controle

Processo (Planta)

y (t) sa´ıda

Realimenta¸c˜ao

Controle em malha fechada.

Vantangens do controle em malha fechada rejeitar o efeito de perturba¸c˜ oes externas; melhorar a resposta dinˆamica do sistema (estabilizar um sistema inst´avel em malha aberta); precis˜ao no controle; diminuir a sensibilidade do sistema a varia¸c˜ oes dos parˆametros do processo (robustez). E. S. Tognetti (UnB)

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Introdu¸c˜ao

2

Elementos de controle

3

Configura¸c˜ oes de controle

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Configura¸co˜es de controle Realimenta¸c˜ ao Usa as medidas diretas das vari´aveis de controle para ajustar as vari´aveis manipuladas. d (medido)

MV’s

d (n˜ao medido)

Processo

sa´ıdas CV’s medidas

sa´ıdas n˜ao medidas

Controlador

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Configura¸co˜es de controle Inferencial Usa medidas secund´arias para ajustar as vari´aveis manipuladas pois as vari´aveis de controle n˜ao podem ser medidas. O estimador usa as vari´aveis medidas e as informa¸c˜ oes do modelo do processo para computar matematicamente (estimar) os valores das vari´aveis de controle. d (medido)

MV’s

d (n˜ao medido)

sa´ıdas medidas

Processo

sa´ıdas n˜ao medidas CV’s

Estimador

Controlador Estima¸c˜ao das CV’s E. S. Tognetti (UnB)

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Configura¸co˜es de controle Antecipat´ orio Usa as medidas dos dist´ urbios para ajustar as vari´aveis manipuladas de forma a antecipar o efeito das primeiras sobre as vari´aveis controladas por meio da informa¸c˜ao do modelo matem´atico do processo. Raramente esta estrat´egia ´e utilizada isoladamente devido aos erros de modelagem.

d (medido)

d (n˜ao medido)

Controlador

MV’s

sa´ıdas medidas

Processo

sa´ıdas n˜ao medidas CV’s

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Configura¸co˜es de controle Antecipat´ orio e Realimenta¸c˜ ao d (medido)

d (n˜ao medido)

Controlador Antecipat´ orio

MV’s

sa´ıdas CV’s medidas

Processo

sa´ıdas n˜ao medidas Controlador Realimenta¸c˜ao

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Configura¸co˜es de controle Configura¸c˜ oes de controle para o trocador de calor: Modo 1

FB

medir T (t) comparar com valor desejado manipular v´alvula de vapor para corrigir desvio Modo 2

medir Te (t) avaliar efeito na mudan¸ca de T (t) manipular v´alvula de vapor para antecipar desvio Modo 3

a¸c˜ao?

FF

a¸c˜ao?

FB-FF

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Exemplo - Trocador de Calor Objetivo: Aquecer fluido que entra a uma temperatura Te (t) at´e uma temperatura desejada Tr (t) Solu¸c˜ao em malha aberta Te (t), f (t)

Tv (t), fv (t) vapor

´agua fria

T (t)

condensado

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´agua quente

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Exemplo - Trocador de Calor

Solu¸c˜ao em malha aberta Tv (t), Te (t), f (t) Tr (t)[◦ C ]

Controlador (MA)

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fv (t)[Kg /min]

Trocador Calor

Controle de processos

T (t)[◦ C ]

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Exemplo - Trocador de Calor Solu¸c˜ao em malha fechada Te (t), f (t)

Tv (t), fv (t) vapor

´agua fria

Tr (t) TC

T (t)

condensado

´agua quente

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Exemplo - Trocador de Calor

Solu¸c˜ao em malha fechada

Tv (t), Te (t), f (t) Tr (t)[◦ C ] −

erro

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Controlador

fv (t)[Kg /min]

Trocador de calor

Controle de processos

T (t)[◦ C ]

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Exemplo - Trocador de Calor

Malha fechada com elementos de campo d r

e

Controlador

v

V´alvula

u

Trocador

y

− ym Sensor

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Exerc´ıcio - Tanque aquecido com agita¸c˜ao Objetivos

fe , Te

T

h

1

Manter a temperatura do fluido de sa´ıda (efluente) T no valor desejado Tr

2

Manter o n´ıvel do tanque h no valor desejado hr

f, T fv Tv

TT , TIC , LT , LIC

Classifica¸c˜ao de vari´aveis Vari´aveis de entrada Vari´aveis de sa´ıda

dist´ urbios, MV’s ? CV’s ?

Vari´aveis medidas e n˜ao medidas? Estrat´egias de controle Propor poss´ıveis estrat´egias para o controle de n´ıvel e de temperatura E. S. Tognetti (UnB)

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Exerc´ıcio - Tanque aquecido com agita¸c˜ao Solu¸c˜ao em malha fechada: propor uma solu¸c˜ao.

fe , Te

T

h f, T

fv Tv

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Exerc´ıcio - Tanque aquecido com agita¸c˜ao

Malha fechada fe , Te , Tv eT

Tr

Controlador T

−

fv

Tanque aquecido f

eh

hr −

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T h

Controlador h

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