Curso de Instrumentista de Sistemas. Fundamentos de Controle. Prof. Msc. Jean Carlos

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1 Curso de Instrumentista de Sistemas Fundamentos de Controle Prof. Msc. Jean Carlos

2 Fundamentos de Controle Aula_02

3 1.1- Conceito: Controlar uma planta ou processo significa dominar ou governar a planta através da aplicação de uma entrada ( excitação, input ou MV ), de maneira a obter uma saída ( resposta, output ou PV ) tão próximo quanto possível de uma saída desejada ( referência ou SP ) previamente especificada.

4 Principais objetivos do controle de processos: Segurança pessoal e operacional Adaptação a perturbações externas Estabilidade operacional Especificação do produto Redução do impacto ambiental Adaptação às restrições inerentes ao processo (equipamentos, materiais etc.) Otimização Resultado econômico do processo

5 1.2 Classificação da Teoria de Controle Quanto à abordagem da Teoria de Controle: Controle Convencional e Controle Avançado

6 1.2.2 Quanto ao modo de implementação Controle Analógico: :

7 Controle Digital

8 1.3 - Definições Preliminares (de acordo com a norma IEEE) Sistema: É um conjunto de componentes que agem no desempenho de uma função que seria impossível para qualquer uma das partes isoladamente. A palavra inclui entidades físicas, biológicas, organizacionais etc Planta: É um sistema físico. É o objeto da Teoria de Controle.

9 1.3.3 Sistema de Controle a Malha Aberta: É o Sistema de Controle em que a saída da planta não tem efeito sobre o sinal de controle. Sinal de controle (ou Variável Manipulada MV) é um sinal de natureza física que provem do controlador e, direta ou indiretamente, alimenta o funcionamento da planta. Disparada a flecha, não se tem mais ação de controle sobre a mesma...

10 1.3.4 Sistema de Controle a Malha Fechada: É um Sistema de Controle em que a saída da planta tem efeito sobre o sinal de controle, de modo a fazer com que a mesma seja igual a saída desejada. A saída corrente da planta é chamada de Variável do Processo PV) e a saída desejada (ou valor de referência) é chamada de Setpoint - SP). O ato de pegar um copo é considerado um Sistema a Malha Fechada. E se a pessoa estivesse com os olhos vendados???

11 1.3.5 Modelo Matemático:É a representação matemática de algum comportamento do sistema físico em observação. Os modelos podem ser paramétricos (Ex.: equações matemáticas) ou nãoparamétricos (Ex.: gráficos) Resposta de uma Planta: A resposta completa de uma planta é composta de 2(duas) partes Resposta Transitória e Resposta Permanente Resposta Transitória ( Transient Response ): Corresponde ao comportamento inicial do sinal de saída da planta, até o mesmo atingir a estabilidade.

12 Resposta Permanente ( Steady-State Response ) Corresponde à parte do sinal de saída da planta que permanece após o desaparecimento da resposta transitória, caso o sistema seja estável.

13 1.3.7 Sistemas Invariantes e Variantes no Tempo: Um sistema é classificado de invariante no tempo quando os seus parâmetros físicos (massa, resistência, etc) não variam com o passar do tempo.isso quer dizer que a sua saída ( output ) independe do instante em que a entrada ( input ) é aplicada. Os comportamentos nos intervalos t 1 -t 2 e t 3 -t 4 são idênticos. Do modo contrário, um sistema é dito variante no tempo quando um de seus parâmetros físicos sofrer alteração com o passar do tempo.

14 Capítulo 1: Conceitos Básicos Sistemas Causais e antecipativo: Um sistema é dito causal quando a sua saída ( output ) num instante t depende exclusivamente das entradas ocorridas até este instante, inclusive. Caso contrário, o sistema é dito ser não-causal ou antecipativo. Uma das condições para que um sistema físico seja realizável, i.e., possa funcionar adequadamente é que atenda a propriedade da causalidade Sistema Linear: Grosseiramente falando, um sistema é dito ser linear quando se verifica a proporcionalidade entre o valor do sinal de entrada (u) e o valor da saída (y). Portanto, o conceito de linearidade está diretamente relacionado com a previsibilidade do funcionamento do sistema.

15 Controle Malha fechada O controle em malha fechada é o mesmo que controle realimentado. A diferença entre o sinal de entrada (referência) e o sinal de saída realimentado, chamado de sinal de erro, é introduzido no controlador que atua na planta ou no processo de forma a reduzir o erro e manter a saída em um valor desejado. existem dois tipos de controle em malha fechada (realimentado), definidos como controle manual e controle automático. No controle automático, o operador é substituído por dispositivos que desempenham as suas funções de formas mais eficientes e precisas.

16 Sistemas de Controle Contínuos e Discretos Um sistema é dito contínuo, quando todas as variáveis do sistema são conhecidas em todos os instantes de tempo. Um sistema é dito discreto, quando pelo menos uma variável do sistema só é conhecida em alguns instantes de tempo.

17 Malha Fechada

18 Controle em Malha Aberta Já nos sistemas de controle em malha aberta, a saída não tem efeito na ação de controle, isto é, a saída não é medida nem realimentada para comparação com a entrada. Para cada entrada de referência haverá uma condição preestabelecida de operação. Qualquer sistema que opere em uma base de tempo é um sistema em malha aberta. A operação em malha aberta deve ser usada, quando se conhece a relação entre entradasaída e o sistema não apresentar nenhum tipo de perturbação.

19 Controle em Malha Aberta

20 Malha Aberta Nem sempre, os sistemas em malha fechada são aconselháveis. Nos sistemas em que as entradas são conhecidas e não estão sujeitas a perturbações, a operação em malha aberta deve ser preferida. Entretanto, quando o sistema estiver sujeito a perturbações e variações imprevisíveis deve-se preferir a operação em malha fechada. Porém, estes sistemas devem ser analisados e projetados com bastante cuidado, visto que outros problemas podem ser gerados como por exemplo, instabilidade e oscilações.

21 DIAGRAMA DE BLOCOS Um sistema de controle pode consistir de vários componentes, o que o torna bastante difícil de ser analisado. Para facilitar o seu entendimento e a fim de mostrar as funções desempenhadas por seus componentes, a engenharia de controle utiliza sempre um diagrama denominado Diagrama de Blocos.

22 DIAGRAMA DE BLOCOS Diagrama de blocos de um sistema é uma representação das funções desempenhadas por cada componente e do fluxo de sinais. Assim, conforme pode ser visto na figura seguinte, os componentes principais de um sistema são representados por blocos e são integrados por meio de linhas que indicam os sentidos de fluxos de sinais entre os blocos. Estes diagramas são, então utilizados para representar as relações de dependência entre as variáveis que interessam à cadeia de controle.

23 Resposta ao degrau O regime transitório é o intervalo de tempo entre o instante T o da origem do degrau, até o instante t3 quando PV = PV f. A resposta a um degrau de um processo estável é caracterizado pelos parâmetros da tabela: Verificaremos, mais adiante, que o conhecimento de G p, t ea, nos permite a determinar as ações P, I e D a serem colocadas no controlador da malha.

24 Processos Instáveis A resposta a um degrau de um processo instável é dada pela figura abaixo. Os parâmetros que caracterizam essa resposta pode ser vista na tabela.

25 AÇÕES DE CONTROLE O controle automático, efetua-se sempre a medição variável controlada (saída), compara-se este valor medido com o valor desejado e a diferença entre estes dois valores é então processada para finalmente modificar ou não a posição do elemento final de controle. O processamento é feito em uma unidade chamada unidade de controle através de cálculos matemáticos. Cada tipo de cálculo é denominado ação de controle e tem o objetivo de tornar os efeitos corretivos no processo em questão os mais adequados.

26 Ações de Controle Existem 4 tipos de ações básicas de controle que podem ser utilizados isoladamente ou associados entre si e dois modos de acionamento do controlador. Iniciaremos definindo estes dois modos para em seguida estudar cada tipo de ação e suas associações principais.

27 MODOS DE ACIONAMENTO O sinal de saída do controlador depende de diferença entre a variável do processo (PV) e o valor desejado para aquele controle (SP ou SV). Assim, dependendo do resultado desta diferença, a saída pode aumentar ou diminuir. Baseado nisto um controlador pode ser designado a trabalhar de dois modos distintos chamados de ação direta e ação indireta.

28 Modos de acionamentos Ação direta (normal = PV-SP) Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. Ação indireta (reversa = SP-PV) Dizemos que um controlador está funcionando na ação reversa quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo.

29 AÇÃO DE CONTROLE ON-OFF Assim, a variável manipulada é rapidamente mudada para o valor máximo ou o valor mínimo, dependendo se a variável controlada está maior ou menor que o valor desejado. Devido a isto, o controle com este tipo de ação fica restrito a processos prejudiciais, pois este tipo de controle não proporciona balanço exato entre entrada e saída de energia.

30 AÇÃO DE CONTROLE ON-OFF É a mais simples e também a mais barata, e por isso é extremamente utilizada tanto em sistemas de controle industrial como doméstico. Ela só permite duas posições para o elemento final de controle, ou seja: totalmente aberto ou totalmente fechado.

31 AÇÃO DE CONTROLE ON- OFF

32 AÇÃO DE CONTROLE ON-OFF O fato deste controle levar a variável manipulada sempre a uma das suas posições extremas faz com que a variável controlada oscile continuamente em torno do valor desejado. Esta oscilação varia em freqüência e amplitude em função do intervalo entre as ações e também em função da variação da carga. Com isto, o valor médio da grandeza sob controle será sempre diferente do valor desejado, provocando o aparecimento de um desvio residual denominado erro de offset.

33 CARACTERÍSTICAS DO CONTROLE ON-OFF Basicamente todo controlador do tipo ON-OFF apresenta as seguintes características: a) A correção independe da intensidade do desvio b) O ganho é infinito c) Provoca oscilações no processo d) Deixa sempre erro de off-set

34 Conclusão O controle através da ação em duas posições é simples e, ainda, econômico, sendo portanto utilizado largamente nos dias atuais. Principalmente, os controles de temperatura nos fornos elétricos pequenos, fornos de secagem, etc, são realizados em sua maioria por este método. Provoca oscilações e off-set e, principalmente, quando provoca tempo morto muito grande, os resultados de controle por estes controles simples tornam-se acentuadamente inadequados.

35 AÇÃO PROPORCIONAL (AÇÃO P) Para evitar o movimento brusco do controle on-off, foi desenvolvido um tipo de ação no qual a ação corretiva produzida por este mecanismo é proporcional ao valor do desvio. Tal ação denominou-se ação proporcional.

36 AÇÃO PROPORCIONAL (AÇÃO P) A figura abaixo indica o movimento do elemento final de controle sujeito apenas à ação de controle proporcional em uma malha aberta, quando é aplicado um desvio em degrau num controlador ajustado para funcionar na ação direta.

37 Ação Proporcional A ação proporcional pode ser determinada pela seguinte equação: Onde: MV = Sinal de saída do controlador K P = Constante de proporcionalidade ou ganho proporcional DV = Desvio = VP - SV S O = Sinal de saída inicial VP = Variável do processo (PV) SP = SV = Valor Setado (Desejado) MV = K P. DV + S O

38 Ação Proporcional Note que mesmo quando o desvio é zero, há um sinal SO saindo do controlador cuja finalidade é a de manter o elemento final de controle na posição de regime. E mais, para se obter o controle na ação direta ou reversa, basta mudar a relação de desvio. Assim, para DV = (PV - SV) tem-se a ação direta e DV = (SV - PV) tem-se a ação reversa. Um exemplo simples de controle utilizando apenas a ação proporcional é o mostrado na figura abaixo, onde a válvula de controle é aberta ou fechada proporcionalmente à amplitude do desvio.

39 Ação Proporcional Considera-se que a válvula esteja aberta em 50% e que o nível do líquido deva ser mantido em 50cm de altura.

40 Ação proporcional E ainda, a válvula tem seu curso total conforme indicado na figura acima. Neste caso, o ponto suporte da alavanca deve estar no ponto b para que a relação ab : bc = 1:100 seja mantida. Então, se o nível do líquido descer 1 cm, o movimento da válvula será 1/10, abrindo-se 0,1 cm a mais. Deste modo, se o nível do líquido descer 5cm a válvula ficará completamente aberta.

41 Ação Proporcional Ou seja, a válvula se abrirá totalmente quando o nível do líquido atingir 45cm. Inversamente, quando o nível atingir 55cm, a válvula se fechará totalmente. Pode-se portanto concluir que a faixa na qual a válvula vai da situação totalmente aberta para totalmente fechada, isto é, a faixa em que se realiza a ação proporcional será 10cm. A seguir, se o ponto de apoio for transportado para a situação b e a relação passar a ser a.b : b.c = 1: 20, o movimento da válvula será 1/20 do nível do líquido se este descer 1cm.

42 Ação Proporcional Neste caso, a válvula estará totalmente aberta na graduação 40cm e totalmente fechada em 60cm e então, a faixa em que a válvula passa de totalmente aberta para totalmente fechada será igual a 20cm. Assim, não é difícil concluir que a relação entre a variação máxima da grandeza a ser controlada e o curso total da válvula depende neste caso, do ponto de apoio escolhido. Este ponto de apoio vai determinar uma relação de proporcionalidade. E como existe uma faixa na qual a proporcionalidade é mantida, esta recebe o nome de faixa proporcional (também chamada de Banda Proporcional).

43 Faixa Proporcional ou Banda Proporcional É definida como sendo a porcentagem de variação da variável controlada capaz de produzir a abertura ou fechamento total da válvula. Assim, por exemplo, se a faixa proporcional é 20%, significa que uma variação de 20% no desvio produzirá uma variação de 100% na saída, ou seja, a válvula se moverá de totalmente aberta par totalmente fechada quando o erro variar 20% da faixa de medição. Existe uma relação bem definida entre a faixa proporcional (FP) e o ganho proporcional (Kp). Esta relação pode ser expressa da seguinte forma:

44 Erro de Off-Set Ao introduzirmos os mecanismos da ação proporcional, eliminamos as oscilações no processo provocados pelo controle liga-desliga, porém o controle proporcional não consegue eliminar o erro de off-set, visto que quando houver um distúrbio qualquer no processo, a ação proporcional não consegue eliminar totalmente a diferença entre o valor desejado e o valor medido (variável controlada), conforme pode ser visto na figura abaixo.

45 CARACTERÍSTICAS DO CONTROLE PROPORCIONAL Basicamente todo controlador do tipo proporcional apresenta as seguintes características: a) Correção proporcional ao desvio b) Existência de uma realimentação negativa c) Deixa erro de off-set após uma variação de carga

46 Esquema básico de um controlador proporcional

47 Conclusão A ação proporcional consegue eliminar as inconvenientes oscilações provocadas pelo controle ON-OFF. Não consegue manter os sistema em equilíbrio sem provocar o aparecimento do erro de off-set caso haja variação na carga. Sistemas de controle apenas com ação proporcional somente devem ser empregados em processos onde grandes variações de carga são improváveis, que permitem pequenas incidências de erros de off-set ou em processos com pequenos tempos mortos. Neste último caso, a faixa proporcional pode ser bem pequena (alto ganho) a qual reduz o erro de off-set.

48 AÇÃO INTEGRAL Para a ação proporcional a não eliminação do erro de off-set sem a intervenção do operador é em pequenos processos aceitável, porém em grandes plantas industriais, isto se torna impraticável. Para eliminar este erro de off-set, desenvolveu-se uma nova unidade denominada ação integral. A ação integral vai atuar no processo ao longo do tempo enquanto existir diferença entre o valor desejado e o valor medido. Assim, o sinal de correção é integrado no tempo e por isto enquanto a ação proporcional atua de forma instantânea quando acontece um distúrbio em degrau, a ação integral vai atuar de forma lenta até eliminar por completo o erro.

49 AÇÃO INTEGRAL Observe que a resposta da ação integral foi aumentando enquanto o desvio esteve presente, até atingir o valor máximo do sinal de saída (até entrar em saturação). Assim, quanto mais tempo o desvio perdurar, maior será a saída do controlador e ainda se o desvio fosse maior, sua resposta seria mais rápida, ou seja, a reta da figura acima seria mais inclinada.

50 AÇÃO INTEGRAL Percebemos então que a resposta desta ação de controle é função do tempo e do desvio e deste modo podemos analiticamente expressá-la pela seguinte equação: Onde: ds/dt = Taxa de variação de saída do controlador DV = desvio K I = ganho integral ou taxa integral.(unidade RPM) Na maioria das vezes o inverso de K I, chamado de tempo integral,é usado para descrever a ação integral.

51 Ação Integral (T i = tempo necessário para que uma repetição do efeito proporcional seja obtido, sendo expresso em minuto por repetição (MPR) ou segundo por repetição (SPR)). Integrando a equação anterior, nós encontramos a saída atual do controlador em qualquer tempo como: Onde: MV(t) = saída do controlador para um tempo t qualquer S O = saída do controlador para t = 0

52 Ação Integral Esta equação mostra que a saída atual do controlador MV(t), depende do histórico dos desvios desde quando este começou a ser observado em t = 0 e por conseguinte ao ser feita a correção do desvio, esta saída não mais retornará ao valor inicial, como ocorre na ação proporcional. Podemos ver pela primeira equação, por exemplo, que se o desvio dobra, a razão de saída do controlador muda em dobro também. A constante K I significa que pequenos desvios produzem uma grande relação de mudanças de S e vice-versa.

53 Ação Integral A figura abaixo ilustra graficamente a relação ente S, a razão de mudança e o desvio para dois diferentes valores de K I. A figura abaixo(b) mostra como, para um desvio em degrau, os diferentes valores para MV como função do tempo conforme foi estabelecido pela equação (2). Portanto, podemos concluir que a rápida razão gerada por K I causa uma saída do controlador muito maior para um particular tempo depois que o desvio é gerado.

54 CARACTERÍSTICAS DO CONTROLE INTEGRAL: As principais características do controle integral são: a) Correção depende não só do erro mas também do tempo em que ele perdurar. b) Ausência do erro de off-set. c) Quanto maior o erro maior será velocidade de correção. d) No controle integral, o movimento da válvula não muda de sentido enquanto o sinal de desvio não se inverter.

55 Esquema básico de um controlador integral

56 Conclusão A ação integral foi introduzida principalmente para eliminar o erro de off-set deixado pela ação proporcional, atuando então, até que o desvio volte a ser nulo. No entanto, como ela é uma função do tempo, sua resposta é lenta e por isto, desvios grandes em curtos espaços de tempo não são devidamente corrigidos. Outro fator importante notado quando se usa este tipo de ação, é que enquanto o desvio não mudar de sentido, a correção (ou seja, o movimento da válvula) não mudará de sentido podendo provocar instabilidade no sistema.

57 Conclusão Tipicamente, a ação integral não é usada sozinha, vindo sempre associada à ação proporcional, pois deste modo tem-se o melhor das duas ações de controle. A ação proporcional corrige os erros instantaneamente e a integral se encarrega de eliminar a longo prazo qualquer desvio que permaneça (por exemplo, erro de off-set). Entretanto, às vezes ela pode ser utilizada sozinha quando o sistema se caracteriza por apresentar por pequenos atrasos de processos e correspondentemente pequenas capacitâncias.