Estratégias de Controlo

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1 1 Estratégias de Controlo 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

2 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 Medir Comparar Decidir Actuar LT LC Carla C. Pinheiro DEQB - IST 4

3 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

4 4 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 7 Exemplo de Válvula de Controlo Pneumática Actuador da válvula (conversor I/P) Carla C. Pinheiro DEQB - IST 8

5 5 Esquema de uma Válvula de Controlo Pneumática Carla C. Pinheiro DEQB - IST 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 10

6 6 Medidor de caudal de Prato de Orifício/DP FC Flow Setpoint FT Carla C. Pinheiro DEQB - IST 11 Prato de Orifício Carla C. Pinheiro DEQB - IST 12

7 7 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 13 Exemplo: Misturador Água Quente Água Fria Água Morna Carla C. Pinheiro DEQB - IST 14

8 8 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 15 Misturador Descrição Matemática 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 16

9 9 Controlo Previsional ou Directo (feedforward) Perturbação SP Referência Controlador previsional u Manipulada Processo y Saída Controlada Carla C. Pinheiro DEQB - IST 17 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 18

10 10 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 19 Controlo de Re-alimentação (feedback) Perturbação SP Referência Controlador u Manipulada Processo y Saída Controlada Carla C. Pinheiro DEQB - IST 20

11 11 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 21 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 22

12 12 Operação em ciclo fechado Valores desejados Referências Diagrama de blocos Variáveis manipuladas Variáveis a controlar Controlador Actuador Processo Valores medidos Sensor/ Transmissor Carla C. Pinheiro DEQB - IST 23 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 24

13 13 Exemplo: Permutador de calor (C.A. Smith and A. Corripio, Principles and Practice of Automatic Process Control, Wiley, 2006) Carla C. Pinheiro DEQB - IST 25 Controlo de Temperatura de um permutador de calor por realimentação Carla C. Pinheiro DEQB - IST 26

14 14 Controlo de Temperatura de um permutador de calor por realimentação Controlo por Realimentação Carla C. Pinheiro DEQB - IST 27 (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 28

15 15 Controlo Previsional de Temperatura de um permutador de calor Controlo Previsional ou Directo Carla C. Pinheiro DEQB - IST 29 (C.A. Smith and A. Corripio, Principles and Practice of Automatic Process Control, Wiley, 2006) Comparação: 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 30

16 16 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 31