Dinâmica de Sistemas e Controlo de Processos

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1 1 Dinâmica de Sistemas e Controlo de Processos Mestrado Integrado em Engenharia Biológica Carla I. C. Pinheiro IBB Institute for Biotechnology and Bioengineering, Técnico Lisboa Telef: (Ext: 1887), Fax: carla.pinheiro@ist.utl.pt Gabinete 9.12b Piso 9 (Torre Sul) Carla C. Pinheiro DEQ - IST 1 Docentes da Turma MEBiol 4º Ano Carla I. Costa Pinheiro Telef: (Ext: 1887) carla.pinheiro@ist.utl.pt Torre Sul, Piso 9 - Gab. 9.12b Maria do Rosário Ribeiro Telef: (Ext: 1325) rosario@ist.utl.pt Torre Sul, Piso 9 Carla C. Pinheiro DEQ - IST 2

2 2 Bibliografia Aconselhada T.F. Edgar, D.E. Seborg, D.A. Mellichamp Process Dynamics and Control, 2ª Ed., Wiley, Riggs and Karim Chemical and Bio-Process Control, 3ª Ed., Pearson Ed., Carla C. Pinheiro DEQ - IST 3 Bibliografia Aconselhada C.D. Johnson Controlo de Processos: Tecnologia da Instrumentação, Fund. Calouste Gulbenkian Bequette Process Control. Modeling, Design and Simulation, Prentice-Hall, Luyben Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers, McGraw-Hill, Smith and Corripio Principles and Practice of Automatic Process Control, Wiley, Stephanopoulos Chemical Process Control: An Introduction to Theory and Practice, Prentice-Hall, Marlin Process Control:Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance, 2 nd Edn., McGraw-Hill, Carla C. Pinheiro DEQ - IST 4

3 3 Principais Tópicos do Programa 1 - Introdução e Interesse do Controlo 2 - Modelação de Sistemas 3 Dinâmica de Sistemas 4 Controlo de Processos Contínuos 5 - Introdução à Instrumentação Carla C. Pinheiro DEQ - IST 5 Tópicos de Matemática (rever!) Equações Diferenciais Transformadas de Laplace Álgebra de Complexos Séries Métodos Numéricos para Resolver Equações Diferenciais Carla C. Pinheiro DEQ - IST 6

4 4 Carla C. Pinheiro DEQ - IST 7 Exame Final 2 datas Avaliação Avaliação contínua: Trabalho de Avaliação* Conta como 1 data de avaliação Grupos de 2 alunos Teste individual de progressão de conhecimentos (facultativo) Realização durante 2 aulas (duração 15 e 30 min). Sem data marcada. Adiciona no máximo até 1 valor à classificação da avaliação por exame ou por avaliação contínua. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 8

5 5 *Avaliação contínua: Trabalho de Avaliação Trabalho de avaliação Trabalho em 3 fases + discussão oral Entrega do enunciado: 4 de Março ª Fase Relatório de progresso até 3 de Abril 2013 (aprovação) 2ª Fase Relatório de progresso até 6 de Maio ª Fase Relatório completo: A verde:datas propostas até 22 de Maio 2013 (discussão oral até 31 de Maio 2013) até 27 de Maio 2013 (discussão oral em data a combinar a partir de 31 de Maio 2013) Classificação Final do Trabalho avaliação: global do trabalho + discussão oral. Condição necessária: aprovação na 1ª Fase do trabalho. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 9 Carla C. Pinheiro DEQ - IST 10

6 6 1- Introdução O que é um sistema dinâmico? O que é o controlo? Objectivos do controlo Interesse do controlo Exemplos Estratégias de controlo Constituição de uma cadeia de controlo Carla C. Pinheiro DEQ - IST 11 O que é um Processo? é a conversão de matérias primas ou reagentes em produtos através de operações químicas e físicas. Na prática este termo é usado para : o processo de operação o equipamento do processo. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 12

7 7 O que é um Sistema? é a combinação de várias peças de equipamento integradas para realizarem uma função específica. Em Engª Química um Sistema será composto por operações unitárias, tais como reactores químicos, permutadores, colunas de destilação, etc, que são usados para produzir um produto químico. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 13 Sistema Dinâmico Um Sistema Dinâmico é entendido como um sistema que é operado em estado transiente e que, consequentemente, evolui com o tempo de forma dependente de um conjunto de condições exteriores. Descontínuos ou semicontínuos funcionam intrinsecamente em estado não estacionário. Contínuos embora desenhados para funcionar em estado estacionário passam por muitos períodos de operação não estacionária. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 14

8 8 O que é o Controlo? Carla C. Pinheiro DEQ - IST 15 O que é o Controlo Conduzir um sistema dinâmico: Manter algumas propriedades constantes (regulação). Seguir um caminho desejado (comando). Carla C. Pinheiro DEQ - IST 16

9 9 Controlo nos Seres vivos O controlo está incorporado em todos os seres vivos Carla C. Pinheiro DEQ - IST 17 Controlo no Dia a Dia Controlar as emoções. Controlar as crianças. Controlar a bola. Controlar a inflacção. Controlar a temperatura. Controlar um reactor químico. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 18

10 10 Controlo no Dia a Dia Carla C. Pinheiro DEQ - IST 19 Controlo no Dia a Dia Um autoclismo é um aparelho que faz parte integrante de uma casa de banho. Vale a pena observá-lo por dentro com muita atenção e muita curiosidade Trata-se de um aparelho que revela a inteligência da espécie humana, usando processos mecânico-hidráulicos! In: Carla C. Pinheiro DEQ - IST 20

11 11 Controlo de Processos Indústriais Estratégia para obrigar um sistema a ter um comportamento pretendido, normalmente medindo variáveis e ajustando outras. Indústrias de processos Alimentar químicos Farmacêutica Bioprocessos Refinação Química Polímeros Cimento Carla C. Pinheiro DEQ - IST 21 Controlo de Processos- Exemplo Exemplo: Instalação Piloto da Univ. Alberta Como é que a temperatura é controlada? Como é controlado o caudal de água fria? Como é que o nível é controlado? Carla C. Pinheiro DEQ - IST 22

12 12 Processos Industriais - Exemplo It is found that control of the product quality by modulating two tray tempeatures in the RD column and one tray temperature in the stripper is most appropriate. By this control scheme, both of HAc and EtOH impurities in the product stream can be kept effectively within the acceptable product specifications. Y.T. Tang, H.-P. Huang, I-L. Chien, Journal of Chemical Engineering of Japan 38(2) (2005) Plant- Wide Control of a Complete Ethyl Acetate Reactive Distillation Process Carla C. Pinheiro e F. Lemos DEQB - IST Bioprocessos - Exemplo Bioprocess control is defined as providing a near optimal environment for microorganisms to grow, multiply, and produce a desired product. This includes providing the right concentration of nutrients to the culture (e.g. carbon, nitrogen, oxygen, phosphorous, sulfur, minerals), removing any toxic metabolic products (e.g. CO2), and controlling important internal cellular parameters (e.g. temperature, ph). J. S. Alford, Computers & Chemical Engineering 30(10-12) (2006) Bioprocess control: Advances and challenges Carla C. Pinheiro e F. Lemos DEQB - IST

13 13 Processos Biológicos - Exemplo A robust H controller was developed to deliver insulin via a mechanical pump in Type I diabetic patients. Controller performance was assessed in terms of its ability to track a normoglycemic set point (81.1 mg/dl) in response to a 50 g meal disturbance. In the nominal continuous-time case, the controller maintained glucose concentrations within ±3.3 mg/dl of set point. A controller tuned to accommodate uncertainty yielded a maximum deviation of 17.6 mg/dl for the worst-case parameter variation. R.S. Parker, F.J. Doyle III, J.H. Ward, N.A. Peppas, AIChE J 46(1) (2000) Robust H glucose control in diabetes using a physiological model Carla C. Pinheiro e F. Lemos DEQB - IST Contoladores Naturais The regulatory architecture responsible for robust maintenance of 24 h cycles is analyzed as a control system. At the gene regulatory level, it is shown that performance attributes, notably phase timing, are controlled in a robust manner. At the next level in the hierarchy, it is shown that synchrony is achieved in populations of neurons to enable clock precision. Finally, at the level of the organism, it is shown that an optimal control approach can be used to reset the clock using a light stimulus. F.J. Doyle III, R. Gunawan, N.Bagheri, H. Mirsky, T.L. To, Computers & Chemical Engineering 30(10-12) (2006) Circadian rhythm - A natural robust multi-scale control system Carla C. Pinheiro e F. Lemos DEQB - IST

14 14 Importância do Controlo de Processos Segurança Manter Especificações dos Produtos Obedecer a Regulamentações Ambientais Cumprir Constrangimentos de Operação de Equipamento Optimização Económica dos Processos Carla C. Pinheiro DEQ - IST 27 Objectivo do Controlo O Objectivo do Controlo é assegurar que um dado sistema dinâmico se mantém nas condições operatórias desejadas, de forma segura e eficaz, satisfazendo todos os requisitos ambientais e de qualidade de produto. Comando - levar um sistema a obedecer a uma evolução determinada. Regulação - manter constantes as condições de um sistema. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 28

15 15 Papel da regulação Suprimir a influência de perturbações externas Assegurar a estabilidade Carla C. Pinheiro DEQ - IST 29 Segurança e fiabilidade O sistema de controlo deve garantir segurança na operação: - Alarmes, controlo dos constrangimentos de segurança, arranques e paragens da unidade. O sistema de controlo deve absorver diversos tipos de perturbações e manter o processo na região óptima de operação: - Trovoadas, alterações nas composições da alimentação, perda temporária de utilidades (ex. linha de vapor), variação das condições ambientais entre o dia e a noite, etc. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 30

16 16 Porque é que devem estar interessados? É uma área tecnicamente interessante. As indústrias de processos são as maiores utilizadoras das tecnologias de controlo. Os engenheiros de processos estão muitas vezes envolvidos no projecto e implementação das estratégias de controlo. O projecto dos processos químicos e dos controladores são cada vez mais interactivos. O controlo de processos envolve diferentes desafios e oportunidades. O controlo de processos é uma ferramenta chave e representa um benefício para as indústrias de processos. Estudar controlo de processos dar-vos-á conhecimentos e competências relevantes para o vosso trabalho futuro. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 31 Numa unidade industrial real Há centenas ou milhares de variáveis medidas e de ciclos de controlo! Na prática o sistema de controlo global é habitualmente dividido em vários níveis, separados por diferentes escalas de tempo: Carla C. Pinheiro DEQ - IST 32

17 17 Hierarquia das Actividades de Controlo de Processos Semanas-Meses Dias-Semanas Horas-Dias NÍVEL 6 Planeamento NÍVEL 5 Escalonamento NÍVEL 4 Optimização em Tempo Real Minutos Segundos NÍVEL 3 Controlo avançado/ Optimização Dinâmica NÍVEL 2 Controlo de Regulação Covencional PID, DCS < 1 segundo NÍVEL 1 Instrumentação de campo Matérias Primas Processo Produtos Carla C. Pinheiro DEQ - IST 33 Exemplos de Objectivos de Controlo Tornar o sistema auto-regulado (controlar as variáveis que podem tornar instável a unidade). Conduzir as variáveis a controlar para os valores desejados ou de referência. Reduzir a variabilidade de determinadas variáveis (melhorar a qualidade e conseguir que a unidade opere próximo dos constrangimentos). Carla C. Pinheiro DEQ - IST 34

18 18 Estabelecer Objectivos de Controlo para avaliação de desempenho Objectivos que não permitem medir o desempenho, não são adequados para avaliação de estratégias de controlo, como por exemplo: É necessário bom controlo da pressão. Temperaturas elevadas são perigosas. A composição de X não pode ser medida mas nunca pode ir abaixo de Os objectivos têm que traduzir desempenhos que possam ser medidos na forma de constrangimentos ou de valores económicos, como por exemplo: A pressão deverá estar sempre controlada a 0.01 bar. A temperatura nunca deve exceder 550 K. A composição de X calculada a partir da temperatura e da pressão através da expressão... nunca deve ser inferior a Este...é o óptimo económico e estes...são os prejuízos económicos pela violação de cada um dos constrangimentos, que quero minimizar. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 35 Melhor Controlo significa redução na variabilidade da qualidade dos produtos Em muitos casos, é muito importante reduzir a variabilidade da qualidade dos produtos sobretudo quando têm alto valor acrescentado (ex., matérias-primas para polímeros). São usadas normas de certificação de produtos (ex., ISO 9000) para garantir a qualidade dos produtos, que colocam grande ênfase no controlo de processos. Carla C. Pinheiro DEQ - IST 36

19 19 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 DEQ - IST 37 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 DEQ - IST 38

20 20 Exemplo: Terminologia Perturbação Variável Controlada LT LC Referência ou set point Variável Manipulada Carla C. Pinheiro e F. Lemos DEQB - IST