Terminologia: Tipos de Variáveis

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1 Carla C. Pinheiro DEQB - IST 1 Terminologia: Tipos de Variáveis As variáveis de saída são variáveis dependentes que nos dão informação sobre o estado interno do sistema, e que queremos manter nos valores especificados (referência ou set point ), desejados ou próximo deles. As variáveis de entrada são as variáveis que de forma independente estimulam o sistema induzindo-lhe alterações, e pertencem a duas categorias distintas: Variáveis manipuladas que são ajustadas para se conseguir o comportamento desejado no processo. Variáveis de perturbação cujos valores variam devido a alterações noutros processos e no ambiente envolvente. Carla C. Pinheiro DEQB - IST 2 1

2 Tipos de Variáveis ATENÇÃO: As designações: variáveis de entrada inputs e variáveis de saída outputs, referem-se a entradas e saídas no fluxo de informação do sistema, e podem não corresponder respectivamente a variáveis das correntes de entrada e de saída físicas do sistema!! Carla C. Pinheiro DEQB - IST 3 Exemplo: Operação automática tica Medir Comparar Decidir Actuar LT LC Carla C. Pinheiro DEQB - IST 4 2

3 Exemplo: Terminologia Perturbação Variável Controlada LT LC Referência ou set point Variável Manipulada Carla C. Pinheiro DEQB - IST 5 Elementos do Ciclo de Controlo Sistema Sistema Sensores Controladores Actuador Sensor Actuadores Controlador Carla C. Pinheiro DEQB - IST 6 3

4 Exemplo: Separação Flash F4 Carla C. Pinheiro DEQB - IST 7 Separação Flash: 5 objectivos de controlo 1. Segurança 2. Protecção do ambiente 3. Protecção do equipamento 4. Caudal de alimentação à entrada da unidade 5. Qualidade do produto Dar exemplo F4 Carla C. Pinheiro DEQB - IST 8 4

5 Separação Flash: 5 objectivos de controlo 1. Segurança 2. Protecção do ambiente 3. Protecção do equipamento 4. Caudal de alimentação à entrada da unidade 5. Qualidade do produto 6. Rendimento Dar exemplo F4 Carla C. Pinheiro DEQB - IST 9 Separação Flash: 5 objectivos de controlo 1. Segurança 2. Protecção do ambiente 3. Protecção do equipamento 4. Caudal de alimentação à entrada da unidade 5. Qualidade do produto 6. Rendimento Dar exemplo F4 Para a Flare Carla C. Pinheiro DEQB - IST 10 5

6 Separação Flash: 5 objectivos de controlo 1. Segurança 2. Protecção do ambiente 3. Protecção do equipamento 4. Caudal de alimentação à entrada da unidade 5. Qualidade do produto 6. Rendimento Dar exemplo F4 Carla C. Pinheiro DEQB - IST 11 Separação Flash: 5 objectivos de controlo 1. Segurança 2. Protecção do ambiente 3. Protecção do equipamento 4. Caudal de alimentação à entrada da unidade 5. Qualidade do produto 6. Rendimento Dar exemplo F4 Carla C. Pinheiro DEQB - IST 12 6

7 Separação Flash: 5 objectivos de controlo 1. Segurança 2. Protecção do ambiente Dar exemplo 3. Protecção do equipamento 4. Caudal de alimentação à entrada da unidade F4 5. Qualidade do produto 6. Rendimento Carla C. Pinheiro DEQB - IST 13 Válvula e actuador pneumático Válvula de Controlo Corpo da Válvula Actuador da válvula Conversor I/P Circuito de ar comprimido Carla C. Pinheiro DEQB - IST 14 7

8 Exemplo de Válvula de Controlo Pneumática Actuador da válvula (conversor I/P) Carla C. Pinheiro DEQB - IST 15 Esquema de uma Válvula de Controlo Pneumática Carla C. Pinheiro DEQB - IST 16 8

9 Sistemas de Sensores Sensor Sensores de temperatura Sensores de caudal sensores de nível Sensores de pressão Analizadores de composição Transmissor Carla C. Pinheiro DEQB - IST 17 Medidor de caudal de Prato de Orifício cio/dp FC Flow Setpoint FT Carla C. Pinheiro DEQB - IST 18 9

10 Prato de Orifício Carla C. Pinheiro DEQB - IST 19 Exemplo de Sensor magnético de caudal Baseado na medição da corrente gerada pelo caudal de um fluído condutor através de um campo magnético. Carla C. Pinheiro DEQB - IST 20 10

11 Exemplo: Misturador Água Quente Água Fria Água Morna Carla C. Pinheiro DEQB - IST 21 Misturador Descrição Matemática tica VC dt dt ( T - T ) + Q C ( T - T ) Q C ( T ) m p = QqC p q ref f p f ref m p m - Tref Carla C. Pinheiro DEQB - IST 22 11

12 Alternativas (Escolha de Variáveis) Medir a temperatura de saída e manipular o caudal de água fria; Medir a temperatura de saída e manipular o caudal de água quente. Em qualquer dos casos o caudal total é sempre alterado Carla C. Pinheiro DEQB - IST 23 Controlo Previsional ou Directo (feedforward) Perturbação SP Referência Controlador previsional u Manipulada Processo y Saída Controlada Carla C. Pinheiro DEQB - IST 24 12

13 Misturador Controlo Previsional =0 V Se T ref = T m ( T - T ) Q ( T ) dt m = Q - T q q m + f f dt m Q q = Q f ( Tf - Tm ) ( T - T ) q m Carla C. Pinheiro DEQB - IST 25 Misturador Controlo Previsional Q q f ( Tf - Tm ) ( T - T ) = Q Q q Q = Q q m + f Q q Q( Tf - Tm ) = Q ( T - T ) ( ( T ) ) q - Tm Q f = T - T q f q f Carla C. Pinheiro DEQB - IST 26 13

14 Controlo de Re-Alimenta Alimentação (feedback) Perturbação SP Referência Controlador u Manipulada Processo y Saída Controlada Carla C. Pinheiro DEQB - IST 27 Estratégias de Controlo: Alternativas Previsional Acção ocorre antes da perturbação ter efeito na saída; Tem que se medir (ou estimar com precisão) a variável perturbadora; Não ocorre acção para perturbações não medidas; É necessário um modelo do processo. Realimentação Ocorre acção independentemente da fonte da perturbação; A sensibilidade da variável de saída a quaisquer perturbações é reduzida; A acção só ocorre depois da perturbação ter efeito na saída. Carla C. Pinheiro DEQB - IST 28 14

15 Controlo de Re-Alimenta Alimentação já usado no séc.. III BC! From Wikipedia: In Ctesibius's clepsydra from the 3rd century BC, the human-shaped hour pointer ascends as water flows in. Outflow drives a series of gears that rotates a cylinder bearing hour lengths appropriate for each day's date. O funcinamento deste relógio de água tinha incluído um esquema automático de controlo por realimentação: para assegurar um caudal constante das gotas de água na entrada do mecanismo do relógio, era necessário manter constante o nível de água num reservatório inicial. Carla C. Pinheiro DEQB - IST 29 Actualmente: Controlo por computador A potência de cálculo do computador abriu as portas para uma operação óptima do processo e múltiplas aplicações integradas. Carla C. Pinheiro DEQB - IST 30 15

16 Operação em ciclo fechado Diagrama de blocos Valores desejados Referências Controlador Variáveis manipuladas Actuador Processo Variáveis a controlar Valores medidos Sensor/ Transmissor Carla C. Pinheiro DEQB - IST 31 Um exemplo de controlo no dia a dia: conduzir um automóvel Objectivo de controlo ( set point ) - Manter o automóvel na estrada ou rua na sua faixa Variável controlada Localização na estrada ou rua Variável manipulada Orientação das rodas da frente Actuador Braços do condutor e volante Sensor Olhos do condutor Controlador - Condutor Perturbação Curvas na estrada ou rua Carla C. Pinheiro DEQB - IST 32 16

17 Exemplo: Permutador de calor (C.A. Smith and A. Corripio, Principles and Practice of Automatic Process Control,, Wiley, 2006) Carla C. Pinheiro DEQB - IST 33 Controlo de Temperatura de um permutador de calor por realimentação Carla C. Pinheiro DEQB - IST 34 17

18 Controlo de Temperatura de um permutador de calor por realimentação Controlo por Realimentação Carla C. Pinheiro DEQB - IST 35 (C.A. Smith and A. Corripio, Principles and Practice of Automatic Process Control,, Wiley, 2006) Controlo de Temperatura de um permutador de calor por realimentação Objectivo de controlo ( Set point ) - Manter constante a temperatura da corrente de saída do produto Variável controlada Temperatura de saída da corrente do produto Variável manipulada Caudal de vapor Actuador Válvula de controlo na linha de vapor Sensor Termopar na corrente de saída do produto Perturbação Alterações na temperatura da corrente de alimentação do produto. Carla C. Pinheiro DEQB - IST 36 18

19 Controlo Previsional de Temperatura de um permutador de calor Controlo Previsional ou Directo Carla C. Pinheiro DEQB - IST 37 (C.A. Smith and A. Corripio, Principles and Practice of Automatic Process Control,, Wiley, 2006) Comparação ão: Conduzir um automóvel e controlar um permutador de calor Variável controlada: posição do automóvel na estrada vs. temperatura da corrente de saída Actuador: braço do condutor e volante vs. válvula de controlo Controlador: o condutor vs. um controlador electrónico Sensor: os olhos do condutor vs. termopar Carla C. Pinheiro DEQB - IST 38 19

20 Selecção da Estrutura de Controlo Investe-se muito esforço a compreender a dinâmica dos processos entre variáveis de entrada inputs e variáveis de saída outputs! Carla C. Pinheiro DEQB - IST 39 20