Coleção UAB UFSCar. Introdução ao controle de processos e à instrumentação usando Scicos. Tecnologia Sucroalcooleira.

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1 Coleção UAB UFSCar Tecnologia Sucroalcooleira Wu Hong Kwong Introdução ao controle de processos e à instrumentação usando Scicos

2 Introdução ao controle de processos e à instrumentação usando Scicos

3 Reitor Targino de Araújo Filho Vice-Reitor Pedro Manoel Galetti Junior Pró-Reitora de Graduação Emília Freitas de Lima Secretária de Educação a Distância - SEaD Aline Maria de Medeiros Rodrigues Reali Coordenação UAB-UFSCar Claudia Raimundo Reyes Daniel Mill Denise Abreu-e-Lima Joice Otsuka Marcia Rozenfeld G. de Oliveira Sandra Abib Coordenador do Curso de Tecnologia Sucroalcooleira Miguel Antonio Bueno da Costa Conselho Editorial José Eduardo dos Santos José Renato Coury Nivaldo Nale Paulo Reali Nunes Oswaldo Mário Serra Truzzi (Presidente) Secretária Executiva Fernanda do Nascimento UAB-UFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) uab@ufscar.br EdUFSCar Universidade Federal de São Carlos Rodovia Washington Luís, km São Carlos, SP, Brasil Telefax (16) edufscar@ufscar.br

4 Wu Hong Kwong Introdução ao controle de processos e à instrumentação usando Scicos 2011

5 2011, Wu Hong Kwong Concepção Pedagógica Daniel Mill Supervisão Douglas Henrique Perez Pino Equipe de Revisão Linguística Ana Luiza Menezes Baldin Clarissa Neves Conti Daniela Silva Guanais Costa Francimeire Leme Coelho Jorge Ialanji Filholini Letícia Moreira Clares Luciana Rugoni Sousa Paula Sayuri Yanagiwara Sara Naime Vidal Vital Equipe de Editoração Eletrônica Christhiano Henrique Menezes de Ávila Peres Izis Cavalcanti Rodrigo Rosalis da Silva Equipe de Ilustração Jorge Luís Alves de Oliveira Lígia Borba Cerqueira de Oliveira Priscila Martins de Alexandre Capa e Projeto Gráfico Luís Gustavo Sousa Sguissardi Ficha catalográfica elaborada pelo DePT da Biblioteca Comunitária da UFSCar W959ic Wu, Hong Kwong. Introdução ao controle de processos e à instrumentação usando Scicos / Wu Hong Kwong. -- São Carlos : EdUFSCar, p. -- (Coleção UAB-UFSCar). ISBN Controle de processo. 2. Controle Avançado. 3. Simulação (Sistemas de controle). 4. Scicos (Programa de computador). I. Título. CDD (20 a ) CDU Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta obra pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma e/ou quaisquer meios (eletrônicos ou mecânicos, incluindo fotocópia e gravação) ou arquivada em qualquer sistema de banco de dados sem permissão escrita do titular do direito autoral.

6 SUMÁRIO APRESENTAÇÃO UNIDADE 1: Introdução ao controle de processo 1.1 Primeiras palavras Problematizando o tema O sistema de controle de processo Elementos de uma malha de controle Representação de uma malha de controle Diagrama P&I Diagrama de blocos UNIDADE 2: Dinâmica do processo 2.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Processos de primeira ordem Ganho do processo Constante de tempo Processos integradores Processos de segunda ordem

7 2.6 Elementos dinâmicos em série Tempo morto (atraso por transporte) Processo de primeira ordem com tempo morto Processo de segunda ordem com tempo morto UNIDADE 3: Componentes de um sistema de controle 3.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Controladores PID Controlador Proporcional (Controlador P) Controlador Proporcional-Integral (Controlador PI) Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (Controlador PID) Dispositivos de medição e de atuação Dispositivo de medição Elemento final de controle UNIDADE 4: Sintonia de malhas de controle 4.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Índice de desempenho Métodos de sintonia de controladores Sintonia em malha fechada... 91

8 4.4.2 Sintonia em malha aberta Método da curva de reação do processo Método de Cohen-Coon Relações de projeto baseadas em critério de erro integral Estabilidade a partir de um ponto de vista prático UNIDADE 5: Controle avançado 5.1 Primeiras palavras Problematizando o tema Controle antecipatório Projeto de controle antecipatório baseado no modelo em estado estacionário Projeto de controle antecipatório baseado no modelo dinâmico Aspectos práticos no projeto do controlador antecipatório Realizabilidade física Controle feedback-feedforward Controle de relação Controle em cascata Referências

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10 Apresentação O objetivo deste livro é apresentar os métodos fundamentais de engenharia de projeto e aperfeiçoamento de sistemas de controle de processo em nível básico. Para isso, serão estudados os processos e a sua modelagem para conhecer as características dinâmicas e de regime estável dos processos e os conceitos fundamentais para a compreensão das teorias de controle. Neste livro é usado o utilitário Scicos, do pacote de aplicativos científicos numéricos Scilab, na análise e projeto de sistemas de controle contínuos no tempo, procurando sempre enfatizar os conceitos envolvidos. O Scilab é um software livre projetado para uso científico e possui também excelente capacidade lógica, portanto é bastante adequado para ser usado em simulações numéricas. O método utilizado é para evitar, tanto quanto possível, a abordagem altamente matemática usada na maioria dos livros existentes, sem comprometer a aprendizagem da essência de controle de processo. A utilização de aplicativos computacionais para a realização de simulações é uma tendência que pode ser observada nos currículos de engenharia para dar ênfase a um ensino de controle mais prático. Os temas abordados incluem: objetivos e estruturas de controle; dinâmicas de processos; controle por realimentação; controle avançado. Espera-se que, ao final deste livro, todos tenham tido uma boa aprendizagem, sem traumas, nessa fascinante área de controle de processos. 9