Comportamento dinâmico de processos submetidos a controle feedback. Sistema simulado no SIMULINK/MATLAB

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Vergílio Furtado Bennert
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1 Comportamento dinâmico de processos submetidos a controle feedback Sistema simulado no SIMULINK/MATLAB

2 Processo Submetido a Controle P

3 Processo Submetido a Controle P Percebe-se da Figura que o controle P deixa offset (erro estacionário final). O offset diminui à medida que se aumenta o ganho do controlador, mas, em contrapartida, a resposta se torna mais oscilatória, podendo instabilizar para ganhos ainda maiores.

O offset diminui à medida que se aumenta o ganho do controlador, mas,

4 Processo Submetido a Controle PI Figura 2.11 Processo submetido a controle P (Kc = 6) e PI (Kc = 6; τ I = 2)

5 Processo Submetido a Controle PI Constata-se da Figura 2.11 que a adição da ação I elimina o offset, mas deixa a resposta mais oscilatória e mais lenta. No controle PI, o aumento de Kc torna as respostas mais rápidas; no entanto, se um valor muito grande de Kc é empregado, a resposta pode exibir um grau indesejável de oscilação. Por sua vez, o aumento de τ I torna a resposta mais lenta (ou conservativa).

No controle PI, o aumento de Kc torna as respostas mais rápidas; no entanto, se um valor muito grande

6 Processo Submetido a Controle PID Figura 2.12 Processo submetido a controle PI (Kc = 6; τ I = 2) e PID (Kc = 6; τ I = 2; τ D = 0,5)

7 Processo Submetido a Controle PID Verifica-se ma Figura 2.12, que o controlador PID conseguiu chegar ao set-point, sem off-set, rapidamente e com um nível de oscilação bastante baixo. No controle PID, para pequenos valores, o aumento de τ D tende a melhorar a resposta, reduzindo a sobrelevação (ou overshoot). No entanto, se τ D é muito grande e há ruído de medida, o mesmo tende a ser amplificado e a resposta pode se tornar oscilatória.

8 Instrumentação do Sistema de Controle INTRODUÇÃO Muitas das suposições que são comumente feitas para simplificar o projeto de controle: - comportamento linear dos instrumentos e manipuladores; - dinâmica desprezível da instrumentação e sinal de transmissão, dependem do projeto e especificação adequados dos instrumentos do sistema de controle.

instrumentos e manipuladores; - dinâmica desprezível da instrumentação e sinal de

9 Instrumentação do Sistema de Controle Algumas variáveis de processo são medidas de forma relativamente fácil: - vazão de líquidos; - P; - Nível. Outras são inerentemente difíceis de medir (quantificar): - composição química; - vazão de sólidos etc. A FALTA DE ELEMENTOS SENSORES APROPRIADOS PARA MUITAS VARIÁVEIS DE PROCESSO É UMA LIMITAÇÃO FUNDAMENTAL À APLICAÇÃO DE CONTROLE DE PROCESSOS.

Outras são inerentemente difíceis de medir (quantificar): - composição química; - vazão de

10 Instrumentação do Sistema de Controle NÍVEIS DE SINAIS DE INSTRUMENTAÇÃO PADRONIZADOS Analógicos (contínuos) - pneumático (ar comprimido): 3 a 15 psig; - elétrico: 4 a 20 ma; 1 a 5 volts (corrente contínua)

(contínuos) - pneumático (ar comprimido): 3 a 15

11 Transdutores Transdutores são dispostivos que convertem informação física ou química em uma dada forma em uma forma física alternativa. Quantidade medida (Variável de processo) Elemento sensor Transmissor Sinal transmitido (para o controlador) Transdutor típico

12 Sensores de temperatura Sensores de temperatura: o termopar é, talvez, o mais usado de todos os tipos de termômetro, especialmente quando se trata de altas temperaturas ( a faixa mais comum é de 200 a 1000 o C).

de termômetro, especialmente quando se trata de

13 Sensores de temperatura O termopar se baseia no princípio descoberto por Seebek de que qualquer diferença de temperatura entre as junções de dois metais diferentes gera uma diferença de potencial, isto é, uma força eletromotriz, entre essas junções. Estando uma das extremidades em contato com a fonte de calor e a outra no meio ambiente, haverá uma diferença de temperatura entre as junções e, consequentemente, uma diferença de potencial, isto é, voltagem em mv.

14 Sensores de temperatura Essa pequena tensão formada pela diferença de temperatura é indicada diretamente em um milivoltímetro convenientemente calibrado em escala de temperatura (este tipo é chamado pirômetro) ou ampliada eletronicamente e depois utilizada para acionar um mecanismo de controle.

calibrado em escala de temperatura (este tipo é chamado pirômetro) ou

15 Sensores de temperatura arranjo típico para termopar

16 Sensores de temperatura (a) apenas resistência de película externa; (b) resistências de película interna e externa;

17 Sensores de pressão ou sensores atuados por pressão dpcell célula de pressão diferencial

18 Sensores de pressão ou sensores atuados por pressão O dpc ou transmissor de pressão diferencial é um dispositivo com diafragma que converte a diferença de pressão em um sinal padrão pneumático ou elétrico. Diferenças de pressão causam pequenos deslocamentos do diafragma sensível. A posição do diafragma é detectada pelas placas do capacitor em ambos os lados do diafragma. A capacitância diferencial entre o diafragma e os pratos capacitores é convertida em voltagem contínua.

Diferenças de pressão causam pequenos deslocamentos do diafragma sensível.

19 Sensores de pressão ou sensores atuados por pressão dpcell célula de pressão diferencial

20 Dp cell (transdutor de pressão diferencial de capacitância variável) - Um sinal de pressão é transferido através de um diafragma isolante e líquido de enchimento para o diafragma sensível (de metal). - Do outro lado do diafragma sensível, pode-se ter uma pressão de referência ou outra tomada de impulso. - A pressão diferencial causa pequenos deslocamentos do diafragma sensível. A posição do diafragma sensível é detectada por pratos capacitores em ambos os lados do diafragma. - A capacitância diferencial entre o diafragma sensível e as pratos capacitores é convertida em um sinal de voltagem contínua.

- Do outro lado do diafragma sensível, pode-se ter uma pressão de referência ou outra tomada de impulso.

21 Sensores de vazão sensor de vazão

22 Sensores de vazão Os dispositivos mais usados são aqueles que usam o seguinte princípio: estrangulando-se um fluxo por um estreitamento ou uma restrição qualquer, a relação entre a perda de carga (a queda de pressão), a área e a vazão volumétrica desse estreitamento é a seguinte: Q = KA( p) 1/ 2

23 Sensores de composição - Medidas difíceis e caras de serem obtidas. - Geralmente medida em linha é mais desafiante. - Medição manual vs. Analisadores on-line. - Meios físicos preferíveis a técnicas químicas, por exemplo: relacionar a fração mássica ou molar de um componentechave de um líquido a ph ou condutividade ou a concentração de um componente em uma corrente de vapor a suas absorções IV ou UV.

24 Sensores: composição química - Espectroscopia do Infra-vermelho IV; analisador de radiação ultra-violeta UV frequência de vibração de moléculas específicas examinada pela absorção de radiação eletromagnética. - Cromatografia gasosa pode medir muitos componentes numa mistura ao mesmo tempo. Métodos cromatográficos incluem atraso de tempo. - Medida indireta: por exemplo, T em coluna de destilação; - Inferências sensores virtuais (modelos empíricos ou fenomelógicos).

25 Sensores: composição 6 neurônios identidade química 10 neurônios tangente hiperbólica 6 neurônios lineares Temperatura da TIT1023 água de alimentação ( C) Temperatura dos TIT1042 gases da chaminé ( C) Temperatura do Óleo TIT1011 Combustível ( C) Vazão de Vapor FIT1031 (m³/h) Pressão de vapor na PIT1032 linha (psi) Regulagem do soprador SI1046 ( %) O2 (%) Concentração de Oxigênio Concentração de CO monóxido de (ppm) carbono CO2 (%) NO (ppm) NO2 (ppm) SO2 (ppm) Concentração de dióxido de carbono Concentração de monóxido de nitrogênio Concentração de dióxido de nitrogênio Concentração de dióxido de enxofre Valdman, 2010

26 Sensores: biosenssores Sistema analítico que combina um componente biológico a um transdutor. Variações dos parâmetros físico-químicos são geradas diante da interação entre o componente biológico e o substrato. Tais variações geram íons, elétrons, calor, luz, fluorescência ou gases, que são convertidos em sinal elétrico quantificável e processável pelo uso de um transdutor adequado (Salgado, 2001)..

27 Transmissores Um transmissor usualmente converte a saída do sensor para um nível de sinal apropriado para entrada para um controlador, tal como de 4 a 20 ma. Transmissores são geralmente projetados para serem de ação direta, ou seja, variável medida aumenta. o sinal de saída aumenta quando a

28 Transdutores

29 Transdutores: terminologia Alcance ( range ): limites máximo e mínimo de variáveis de processo. Faixa ( span ): intervalo entre os limites máximo e mínimo do alcance. Zero: valor da variável de processo que correspone à saída mínima do transdutor. Sensibilidade: razão da variação no sinal de saída (leitura) para variação no sinal de entrada, após atingir o estado estacionário.

30 Válvulas pneumáticas

31 Válvulas pneumáticas (a) ar-para-fechar; (b) ar-para-abrir

32 Válvulas pneumáticas c(s) ATUADOR x(s) CORPO m(s) m = F = C v p f (x) ρr Para líquidos que não flasheiam p=diferença entre as pressões a montante e a jusante da válvula; C v =constante que depende do tamanho da válvula; ρ r =densidade específica do líquido relativa à água.

33 Válvulas pneumáticas: tipos de plugs

34 Válvulas pneumáticas: tipos de plugs

35 Válvulas pneumáticas: tipos de plugs

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