Tipos de malha de Controle SUMÁRIO 1 - TIPOS DE MALHA DE CONTROLE...60 1.1. CONTROLE CASCATA...60 1.1.1. Regras para Selecionar a Variável Secundária...62 1.1.2. Seleção das Ações do Controle Cascata e sua Sintonia...62 1.2. CONTROLE DE RELAÇÃO OU RAZÃO...63 1.3. CONTROLE OVERRIDE OU SELETIVO...64 1.4. CONTROLE DE COMBUSTÃO COM LIMITES CRUZADOS...66 1.5. CONTROLE SPLIT-RANGE OU RANGE DIVIDIDO...68 1.6. CONTROLE ANTECIPATIVO OU FEEDFORWARD...70 1.6.1. Lead/Lag (Antecipação/Atraso)...73
1 - Tipos de malha de controle 1.1. Controle cascata Uma das técnicas para melhorar a estabilidade de um circuito complexo é o emprego do controle tipo cascata. Sua utilização é conveniente quando a variável controlada não pode manter-se no valor desejado, por melhores que sejam os ajustes do controlador, devido as perturbações que se produzem devido as condições do processo. Figura 01 Podemos ver claramente a conveniência do controle cascata examinando o exemplo da figura 01. Quando a temperatura medida se desvia do set-point, o controlador varia a posição da válvula de vapor, e se todas as características do vapor permanecerem constante o controle será satisfatório. Entretanto se uma das características, por exemplo, a pressão da linha variar a vazão através da válvula também variará, embora tivéssemos a válvula fixa. Teremos então uma mudança de temperatura do trocador de calor e após um certo tempo, dependendo das características da capacitância, resistência e tempo morto do processo, a variação da temperatura chegará ao controlador, e este reajustará a posição da válvula de acordo com as ações que dispusermos. Será uma casualidade se as correções do controlador eliminarem totalmente as perturbações na temperatura provocada por variação na pressão do vapor.
Note que a vazão não está sendo controlada, e é interesse secundário porém é evidente que sua variação afetará a variável temperatura, que é de interesse principal no controle do processo. Seria conveniente o ajuste rápido do posicionamento correto da válvula de controle toda vez que houvesse uma perturbação na vazão do vapor devido problemas externos como por exemplo a pressão da linha, para evitar um desvio na temperatura que será a variável principal. Se o sinal de saída do controlador de temperatura (primário ou mestre) atua como setpoint remoto de um instrumento que controla a vazão de vapor, o sinal de saída deste por sua vez determinará a posição da válvula de vapor, este segundo controlador (secundário ou escravo) permitirá corrigir rapidamente as variações de vazão provocadas por perturbações na pressão do vapor, mantendo o sistema a todo momento capacitado para controlador a temperatura através do controlador primário. Estes 2 controladores ligados em série atuam para manter a temperatura constante, o controlador de temperatura determina e o de vazão atua. Esta disposição se denomina controle cascata o qual podemos ver na figura 02: Figura 02 - Controle em cascata
1.1.1. Regras para selecionar a variável secundária Regra 1 Identificar a variável que provoca a maioria dos distúrbios, ou seja, aquela que mais atrapalha a variável principal. Regra 2 O loop escravo ou secundário deve possuir uma constante de tempo pequena. É interessante, mas não essencial, que a constante de tempo do loop secundário seja pelo menos 3 vezes menor que a constante de tempo do loop primário ou mestre. 1.1.2. Seleção das ações do controle cascata e sua sintonia Se ambos os controladores do controle cascata tem três ações de controle, no total teremos seis ajustes para serem feitos. E portanto a dificuldade para fazer a sintonia do controlador aumenta. No controlador secundário ou escravo é padrão incluir a ação proporcional. Há pouca necessidade de incluir a ação integral para eliminar o off-set porque o set-point do controlador secundário será continuamente ajustado pela saída do controlador primário. Ocasionalmente, a integral será adicionada ao controlador secundário, caso o loop apresente a necessidade de utilizar algum filtro na variável. Já o controlador primário deve conter a ação proporcional e provavelmente a ação integral para eliminar o off-set. O uso da ação derivativa somente se fará necessário se o loop possuir uma constante de tempo muito grande. A sintonia dos controladores cascata é feita da mesma maneira que todos os controladores, mas é mais prático primeiro fazer a sintonia do controlador secundário e depois do controlador primário. O controlador primário deve ser colocado em manual, e então deve-se proceder a sintonia do controlador secundário. Quando o controlador secundário estiver devidamente ajustado então faz-se o ajuste do controlador primário. Quando se faz isto, o loop primário, vê o loop secundário como parte integrante do processo. Normalmente o ganho do loop secundário deve ser pequeno para que a malha de controle fique com uma boa estabilidade. Seguindo estas recomendações, não haverá maiores problemas para ajustar o controle cascata.
1.2. Controle de relação ou razão Como o próprio nome determina, temos neste tipo de controle uma razão entre 2 variáveis. No controle de razão ou relação uma variável é controlada em relação a uma segunda variável. Vimos que o controle cascata é somente um método que melhora o controle de uma variável, controle de relação ou razão satisfaz uma necessidade especifica no processo entre 2 grandezas tais como na figura 03. O sinal do extrator de raiz quadrada é dividido ou multiplicado por um fator manual ou automaticamente. O sinal de saída do divisor ou multiplicador será o set-point do controlador de vazão do fluído secundário, o qual atuará diretamente na válvula de controle. Figura 03 - Controle de razão ou relação - combustível seguindo ar
1.3. Controle override ou seletivo Caso a variável controlada deva ser limitada em um valor máximo ou mínimo, ou caso o número de variáveis controladas exceda o número de variáveis manipuladas, o controle a ser utilizado deverá ser o controle seletivo. O controle seletivo opera basicamente em função de seletores de sinal (alto ou baixo). Um exemplo de controle seletivo está mostrado na figura 04. Esta malha foi estruturada visando consumir-se gás combustível em função da demanda e, ao mesmo tempo, controlar-se a pressão deste gás, de acordo com o ponto de ajuste colocado no controlador de pressão de gás (PIC). Nesta malha, o seletor de sinal baixo (PY) recebe os sinais de demanda proveniente da malha de controle de combustão e o sinal do controlador de pressão do gás combustível (PIC) seleciona o menor dos sinais e envia como ponto de ajuste do controlador de vazão de gás combustível (FIC). Com esta configuração, enquanto a demanda for menor ou igual à disponibilidade de gás combustível, a pressão do gás estará no ponto de ajuste ou acima dele, consequentemente, o sinal de saída do PIC (controlador com ação direta) estará acima do sinal de demanda, pois o seletor de sinal baixo seleciona o sinal de demanda como ponto de ajuste do FIC do gás combustível. Caso a demanda se torne superior à disponibilidade do gás combustível a pressão deste gás começará a cair e a saída do controlador de gás irá diminuir até se equilibrar com o sinal de demanda. No momento em que ocorrer este equilíbrio, o fluxo de gás deixará de aumentar de acordo com a demanda, pois o sinal de controlador de pressão (PIC) passará a ser selecionado pelo PY e enviado como ponto de ajuste do FIC de gás combustível, ou seja, a vazão de gás combustível passará a ser controlada em função da sua pressão (que é controlado pelo PIC); caso a pressão do gás caia abaixo do ponto de ajuste, o PIC diminuirá seu sinal de saída diminuindo a saída do seletor PY, fazendo com que a vazão de gás seja diminuída de forma a manter sua pressão. O sinal de demanda voltará a ser o ponto de ajuste do FIC (voltará a ser selecionado pelo PY), no momento em que a demanda voltar a ser menor que a disponibilidade de gás combustível e a pressão deste gás começar a aumentar.
Figura 04 - Controle override ou seletivo
1.4. Controle de combustão com limites cruzados Neste sistema de controle são utilizados dois relés seletores, sendo um seletor de sinal baixo e outro seletor de sinal alto. A utilização destes relés permite se operar com baixos valores de excesso de ar, sem que ocorram problemas de combustão, pois estes seletores não permitem que o excesso de ar caia baixo do valor ajustado, tanto no caso de aumento como no caso de diminuição de carga de caldeira. O funcionamento desta malha de controle só será correto se os instrumentos forem dimensionados adequadamente, pois os sinais recebidos pelos seletores de sinal deverão ser iguais, sempre que o sistema estiver estabilizado e operando nas condições especificadas. Caso ocorra aumento de consumo de vapor, a pressão diminuirá, fazendo com que o sinal de saída do PRC aumente; este aumento não será sentido pelo controlador de vazão do combustível, pois a saída do seletor de sinal baixo continuará a mesma. O controlador de vazão do ar de combustão sentirá imediatamente este aumento, pois a saída do seletor de alta passará a ser o sinal do PRC; com isto, haverá um aumento imediato da vazão do ar de combustão. À medida que a vazão for aumentando, a saída do seletor de baixa irá aumentar igualmente, com um conseqüente aumento da vazão de combustível; isto acontecerá até que o sistema se equilibre na nova situação de consumo. Vê-se, então, que no caso de um aumento de consumo de vapor, haverá inicialmente um aumento da vazão de ar de combustão e, a seguir, de combustível. A vazão de combustível só será aumentada após o aumento da vazão de ar. Durante a transição, o ponto de ajuste da vazão de combustível será dado pelo transmissor de vazão de ar.
Figura 05 - Controle de combustão com limites cruzados Se ocorrer diminuição do consumo de vapor, a pressão aumentará, fazendo com que a saída do PRC diminua; esta diminuição não será sentida pelo controlador de vazão do ar de combustão, pois a saída do seletor de sinal alto continuará a mesma. O controlador de vazão de combustível sentirá imediatamente esta diminuição, pois a saída do seletor de baixa passará a ser o sinal do PRC; com isto, haverá uma diminuição imediata da vazão de combustível. À medida que a vazão de combustível for diminuindo, a saída do seletor de alta irá diminuir igualmente, com uma conseqüente diminuição da vazão do ar de combustão; isto acontecerá até que o sistema se equilibre na nova situação de consumo. Vê-se, então, que no caso de uma
diminuição do consumo do vapor, haverá inicialmente uma diminuição da vazão de combustível e a seguir, de ar. A vazão do ar de combustão só será diminuída após a diminuição da vazão de combustível. Durante a transição, o ponto de ajuste da vazão do ar de combustão será dado pelo transmissor de vazão de combustível. Neste sistema de controle, o controlador de pressão comanda as malhas de vazão enquanto se está em regime de equilíbrio; durante as transições, o controlador de pressão comanda uma das malhas de vazão enquanto essa malha de vazão comanda a outra. Quando se utiliza a malha de controle básica, o operador poderá fazer pequenos ajustes na razão ar/combustível, atuando no relé de razão (FY). 1.5. Controle split-range ou range dividido No controle split-range ou range dividido normalmente envolve duas válvulas de controle operadas por um mesmo controlador. O controle split-range é uma forma de controle em que a variável manipulada tem preferência com relação a outra. Na figura 06 pode-se ver este tipo de controle aplicado a dois trocadores em série. O processo se utiliza deste recurso para aquecer um produto cuja vazão sofre muita variação. Quando tivermos com vazão baixa basta apenas um trocador de calor para aquecer o produto e quando tivermos com vazões altas teremos a necessidade de utilizarmos dois trocadores de calor. Suponhamos que do ponto de vista de segurança, as válvulas devem fechar em caso de falta de ar, teremos então o controlador de ação reversa (ao aumentar a temperatura, diminui o sinal de saída). Se a vazão do produto é baixa atuará a válvula de vapor V-1 porque teremos o sinal de saída do controlador compreendido entre 0% e 50% (3 à 9 PSI). A medida que aumenta a vazão, o controlador de temperatura aumenta o seu sinal de saída, até quando tivermos o sinal maior que 50% (9 PSI) a válvula V-1 permanecerá totalmente aberta, teremos então o primeiro trocador de calor trabalhando no máximo de seu rendimento, e teremos a válvula V-2 começando a abrir e iniciando o funcionamento do segundo trocador de calor. Quando tivermos o máximo
de vazão determinada teremos as duas válvulas totalmente abertas e os dois trocadores de calor trabalhando no máximo de sua potência. Normalmente na passagem de uma condição limite para outra teremos uma faixa morta de aproximadamente 5%, sendo que o valor desta faixa varia com a sua aplicação. Este tipo de malha de controle não é muito utilizado em caldeiras, porém é muito utilizado em outras partes do processo, principalmente em indústrias petroquímicas. Figura 06 - Controle Split-Range ou Range Dividido
1.6. controle antecipativo ou feedforward Um controle utilizando realimentação negativa, por definição, requer que exista uma diferença entre o ponto de ajuste e a variável controlada (ou seja, exista erro) para que a ação de controle possa atuar. Neste tipo de controle, só haverá correção enquanto existir erro: no momento em que o erro desaparecer a correção cessará. A temperatura de saída do trocador será controlada, adequadamente, por uma malha de controle com realimentação negativa enquanto não ocorrem variações freqüentes na vazão e/ou na temperatura de entrada do fluído a ser aquecido. Caso ocorram variações deste tipo, elas irão influenciar a temperatura de saída do trocador, dificultando sobremaneira o controle. Neste caso a temperatura de saída do trocador só será controlada, adequadamente, se utilizar-se um controle antecipativo. O controle antecipativo mede uma ou mais variáveis de entrada (no caso vazão e/ou temperatura de entrada do fluído a ser aquecido), prediz seu efeito no processo e atua diretamente sobre a variável manipulada, como forma de manter a variável controlada no valor desejado.
Figura 07 - Controle Antecipativo ou Feedforward Puro Na figura 07, tem-se um controle antecipativo puro. Neste caso, só se mede a vazão do fluído a ser aquecido, pois se supôs que somente esta variável está variando. O computador analógico FY recebe uma referência externa (temperatura desejada na saída do trocador) e o sinal de vazão do fluído a ser aquecido; calcula quanto vapor deve ser adicionado ao processo em função da equação f (x) e atua diretamente na válvula de vapor. A vazão de vapor será corrigida antes que a temperatura varie em função das variações na vazão do fluido a ser aquecido, ou seja, há uma antecipação da correção. Vê-se pela figura, que no controle antecipativo a variável controlada não é medida nem utilizada no cálculo efetuado pelo computador analógico FY. Consequentemente, para que o sistema possa funcionar adequadamente, o
computador analógico deverá simular exatamente a equação do processo que relaciona a vazão de entrada do fluído a ser aquecido com a temperatura de saída do trocador; ou seja, o controle antecipativo puro só irá funcionar corretamente se forem consideradas as características estáticas e dinâmicas do processo, as perdas de energia para o ambiente, as influências da pressão do vapor e a temperatura de entrada do fluído a ser aquecido irão causar na variável controlada e se não existirem atrasos e/ou histerese na medição e na correção. Destas observações conclui-se facilmente, que o controle antecipativo puro não irá funcionar na prática. Em aplicações de controle de processos industriais, o que se faz é unir o controle utilizando realimentação negativa com o controle antecipativo. Figura 08 - Controle Antecipatório ou Feedforward com Realimentação
A figura 08 mostra um controle antecipatório com realimentação. Neste caso, a temperatura de saída do trocador passou a ser medida e realimentada ao processo. O somador (FY) recebe os sinais do FT e do TRC e envia a resultante destes dois sinais para a válvula de controle de vapor. Nas condições de equilíbrio, a saída do somador variará basicamente em função do sinal recebido do FT, uma vez que a temperatura estará no ponto de ajuste e a saída do TRC não está variando. Caso a temperatura saia do ponto de ajuste, a saída do controlador (TRC) variará e, consequentemente, a saída do somador passará a variar em função dos sinais recebidos do TRC e do FT; isto irá ocorrer até que o sistema volte às condições de equilíbrio, ou seja, até que a temperatura volte ao ponto de ajuste. A utilização desta malha permite que a temperatura na saída do trocador seja mantida de forma estável, mesmo quando ocorram variações na vazão do fluido a ser aquecido. Uma das maiores aplicações deste tipo de malha de controle é no controle de nível de caldeiras como veremos à seguir. 1.6.1. Lead/Lag (Antecipação/Atraso) Existe ainda algo muito importante a ser acrescentado ao controle antecipatório: comportamento dinâmico. Quando uma pessoa está dirigindo pela estrada e encontra uma curva a aproximadamente um quilômetro à frente, em geral ela espera até chegar à curva para virar o volante. Da mesma forma, no controle antecipatório, não é necessário desencadear uma ação imediatamente após a medida de um distúrbio. Considerando a dinâmica do processo, pode ser aconselhável esperar um pouco antes de ajudar a variável manipulada. A dinâmica do distúrbio e a da variável manipulada deveriam ser equiparadas, para que o efeito de anulação da variável manipulada alcance a variável controlada no instante certo. Isto pode ser obtido no controle antecipatório acrescentando-se compensação dinâmica.
Existem vários elementos dinâmicos básicos: constantes de tempo, tempo morto, capacitância. Controladores por antecipação em regime estacionário controlam as diferenças entre o ganho que relaciona o distúrbio medido e a variável controlada, e o ganho que relaciona a variável manipulada com a variável controlada, e o ganho que relaciona a variável manipulada com a variável controlada. Isto é uma forma complicada para dizer que a ação do controlador por antecipação cancela o efeito dos distúrbios. Da mesma forma, a compensação dinâmica controla as diferenças que possam existir entre as variáveis de entrada e saída no que diz respeito a constantes de tempo, tempo morto, e assim por diante. Como exemplo, considere um processo onde exista um tempo morto de 30 segundos após a medição de um distúrbio, e um tempo morto de 20 segundos entre uma mudança na variável manipulada e o início da mudança correspondente na variável controlada, ver figura 09. Figura 09 - Resposta de um processo em malha aberta, para diferentes tipos de distúrbios. Depois de medida uma mudança no distúrbio, deveria haver uma espera de 10 segundos antes de ajustar convenientemente a variável manipulada. O que importa é a diferença entre tempos mortos e não os seus valores individuais.
Figura 10 - Controle antecipatório com Lead/lag Desta forma, se as constantes de tempo para estes dois pares de entrada/saída são diferentes, pode-se usar circuito de antecipação/atraso também conhecido como Lead/Lag. O circuito Lead/lag fornece a compensação dinâmica necessária para controlar as diferenças entre as constantes de tempo e pode ser ajustado ou sintonizado para satisfazer as necessidades do processo. Se a constante de tempo associada com as mudanças na variável manipulada for menor do que uma constante de tempo no distúrbio, então a ação da variável manipulada deve ser atrasada para poder coincidir com o efeito do distúrbio, isto é, o controle precisa de um atraso (Lag). Se a constante de tempo da variável manipulada for maior do que a constante de
tempo da variável de distúrbio, então a ação da variável manipulada precisa ser acelerada ou acentuada, isto é, o controle precisa de uma ação de antecipação (Lead). A figura 11 mostra as características de um processo com diferentes constantes de tempo. Figura 11 - Constantes de tempo diferentes