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Os parâmetros de dificuldade de controle, atrasos e componentes da malha de controle, com ênfase no controlador e suas ações de controle: proporcional, integral e derivativa. Além disso, aborda aspectos práticos da sintonia da malha de controle, como avaliação da dificuldade de controle, estabilidade do sistema e aplicações práticas de controladores.
Tipologia: Notas de estudo
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A controlabilidade do processo ‚ o grau de dificuldade do processo ser controlado. Apenas quando um processo ‚ controlável pode se projetar e aplicar o sistema de controle adequado. Ser controlável significa que os resultados do processo são obtidos dentro dos limites de tolerância razoáveis. Quando houver uma variação de carga ou um distúrbio no processo, a variável controlada deve retornar a ponto de ajuste estabelecido, dentro do tempo prescrito e com um erro limitado. HÁ processos com controles difíceis, onde a variável controlada fica distante do ponto de ajuste ou o tempo de recuperação ‚ longo ou as amplitudes das oscilações são maiores do que as desejadas. O que torna um processo difícil de ser controlado são os atrasos que aparecem no processo em si e na malha de instrumentos de medição e controle. É possível a avaliação da dificuldade de controle do processo pela analise da resposta, no domínio do tempo, de um degrau unitário aplicado na entrada do processo. Para fins de avaliar o grau de dificuldade de controle pode-se classificar os dois tipos básicos de atraso: o tempo morto e o tempo característico.
1.1. Tempo morto
O tempo morto ‚ o tempo em que o controlador não responde aos distúrbios do processo, porque ainda não tomou conhecimento destes distúrbios. O tempo morto ‚ o tempo transcorrido entre o aparecimento do distúrbio e o inicio da resposta do sistema de controle. Ele ‚ chamado também de tempo de transporte (de informação, de material, de energia) porque ‚ função das distâncias envolvidas. O tempo morto não pode ser diminuído pela ação e pelo ajuste do controlador, embora seja um parâmetro tomado como base dos seus ajustes.
1.2. Tempo característico
O tempo característico ‚ o tempo em que o processo começa a responder aos distúrbios at‚ atingir o valor de regime. Ele ‚ chamado de característico porque ‚ uma função especifica do processo.
Fisicamente, o tempo característico depende de dois outros parâmetros: a resistência e a capacitância do processo. A resistência está associada com a dificuldade de transferência de energia e a capacitância está ligada ao armazenamento de energia e materiais. Quanto maiores a resistência e a capacitância do processo, maior ‚ o tempo de atraso da resposta do processo e mais lento ‚ o processo. O período natural de oscilação do processo, tomado como base para os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo, ‚ também proporcional ao tempo morto. Quanto maior ‚ o período natural de oscilação do processo, maior ‚ o grau de dificuldade do controle. O tempo morto ‚ o atraso difícil de ser administrado pelo controlador. O tempo característico ‚ o atraso fácil de ser compensado pela escolha e pelos ajustes dos modos do controlador. O controle seria perfeito, sem erro de pico ou acumulado, se o processo tivesse tempo morto igual a zero e apenas uma constante de tempo. Infelizmente, tal processo não existe.
A estabilidade do processo ‚ tão importante quanto a controlabilidade. Se o sistema não ‚ controlável, não possui interesse; se não ‚ estável, ele não ‚ útil. O sistema ‚ estável, se para qualquer entrada limitada, a saída ‚ também limitada. A saída do sistema estável possui um valor de regime, depois de transcorrido um intervalo da aplicação da entrada. A saída do sistema instável, ao contrario, nunca atinge um valor de regime permanente O sistema instável pode se tornar estável através do simples uso da realimentação negativa.
2.1. Critérios teóricos da estabilidade Teoricamente, há vários critérios de estabilidade do sistema linear: Nyquist, Routh Hurwitz, Root locus e pelo diagrama de Bode O método de Nyquist ‚ um gráfico. Se o gráfico engloba o ponto (-1 + j 0), o sistema ‚ instável; se não, o sistema ‚ estável. O diagrama de Bode ‚ o enfoque gráfico simplificado do critério de Nyquist. Ambos os métodos operam no domínio da freqüência. O critério de estabilidade de Routh-Hurwitz ‚ usado para determinar somente a estabilidade
Quando se tem um sistema cujo ganho total ‚ 0,10 este sistema esta muito distante da oscilação e ‚ muito estável. Porém, sua qualidade de controle ‚ ruim, porque ele ‚ pouco sensível e corrige os seus distúrbios demoradamente. Quando o ganho do controlador ‚ ajustado para que o ganho total seja igual a 0,90 o sistema ainda ‚ estável, porém pequenas variações de ganho do processo podem provocar oscilação no sistema. Este sistema ‚ muito sensível e rápido para responder e corrigir os erros provocados pelos distúrbios, porém, ele está muito próximo a oscilação. Então, no mundo ocidental cristão cartesiano e simétrico a tendência ‚ de se ter um ganho total de 0,50, que ‚ uma situação de compromisso entre a estabilidade e a qualidade do controle do sistema. Quando o ganho da malha fechada ‚ igual a zero, não há controle e a malha não responde a nenhum distúrbio. Quando o ganho da malha fechada ‚ igual a 1, tem se a oscilação constante da variável e o processo ‚ instável. Porém, esta instabilidade ‚ aceita, na pratica. Por exemplo, o controle liga- desliga possui um ganho total de 1; o ganho do controlador ‚ altíssimo. Para se ter estabilidade ‚ necessário que o ganho total seja menor que 1. Chama se margem de ganho o que falta para o ganho alcançar o valor de 1, quando se mantém o angulo de correção igual a 180 graus. Esta margem de ganho pode ser considerada como a faixa de liberdade que o ganho do processo pode variar sem provocar oscilação no sistema. Quanto menor o ganho, maior a margem de ganho e mais estável é o processo e maiores podem ser as variações de carga sem o aparecimento de oscilação. Define se também a margem de fase, como o angulo que falta para 180 graus. A margem de fase ‚ a quantidade de rotação negativa que deve ser adicionada para fazer o sistema estável, quando se assume o ganho constante igual a 1. Quando o angulo de correção ‚ de 180 graus, tem se a realimentação negativa. Os atrasos do processo e os atrasos e adiantamentos da malha de instrumentos de controle podem tornar o angulo de correção diferente de 180 graus.
O sistema de controle do processo ‚ constituído basicamente pelo processo em si e pela malha de instrumentos de medição e de controle.
A malha canônica de controle de processo ‚ fechada e com a realimentação negativa. O objetivo da realimentação negativa ‚ o de estabilizar o controle, diminuindo o ganho da malha aberta. Na malha de controle há duas realimentações negativas: uma na malha externa de controle e outra interna ao controlador. Na malha externa de controle, faz se a medição da variável controlada, compara a com uma referencia externa do controlador e gera se uma ação corretiva que vai para o elemento final de controle. Internamente ao controlador, recebe se a medição da variável controlada, compara a com o ponto de ajuste de referência e a saída do controlador ‚ realimentada a sua entrada, para estabilizar sua saída num valor finito. Quando se têm oscilações crescentes, tem se uma realimentação positiva, o período de oscilação ‚ menor que o período natural do processo. A situação de oscilação crescente não interessa, na pratica pois não se pode ter durante muito tempo uma oscilação crescente; ela logo atinge um valor limite do processo. Quando se têm oscilações decrescentes há realimentação negativa, o processo ‚ estável e o período de oscilação ‚ maior que o período natural do processo. A malha de controle mais simples possível ‚ constituída de um único controlador, ligado diretamente a válvula de controle que atua no processo. Na pratica, por questão das grandes distâncias envolvidas, dos demorados tempos de resposta, da necessidade do condicionamento de sinais mal comportados, da vantagem da linearização de sinais quadráticos, da exigência de compatibilidade de sinais com naturezas distintas, a malha de controle possui outros instrumentos para executar estas funções auxiliares e opcionais. A válvula de controle, chamada normalmente de elemento final de controle, recebe o sinal do controlador e atua diretamente no agente de controle, manipulando uma variável que tenha influencia significativa na controlada. Opcionalmente, a válvula de controle pode usar o posicionador, para linearizar seu percurso, para apressar sua resposta, para eliminar a histerese. Embora pareça irrelevante o uso de tantos instrumentos interligados na malha de controle, a colocação ou a retirada de um instrumento na malha pode alterar totalmente a estabilidade do controle do processo.
3.1. Controlador
O principal componente da malha de controle ‚ o controlador. Ele pode ser considerado um amplificador ou um computador, pois ele recebe a medição, compara-a com um valor de referencia pré- determinado e gera um sinal que ‚ função matemática complexa desta diferença entre medição e ponto de ajuste. Na malha de instrumentos para controle do processo, o controlador ‚ o único que possui ajuste de ganho. Na pratica, os controladores analógicos possuem ajuste da banda proporcional e os controladores digitais (blocos de controle configurados por programação) possuem determinação do ganho. A banda proporcional, definida apenas para o controlador, ‚ o inverso do ganho multiplicado por 100%. Ou seja, ‚ a relação entre a entrada e a saída. A banda proporcional ‚ a % da variação do erro na entrada necessária para provocar 100% da saída do controlador. Quando a saída do controlador aumenta 50% a válvula de controle fecha totalmente e para uma diminuição de 50% a válvula abre totalmente, a banda proporcional ‚ dita ser de 100%. Analogamente, se a válvula fecha em 75% quando há um aumento da saída de 50% e permanece em 25% para uma diminuída da saída de 50%, a banda proporcional ‚ de 200%. A banda proporcional muito estreita significa o controlador muito sensível, com ganho muito elevado. Quando se diminui a banda proporcional, aumenta se o ganho, diminui se o desvio permanente e a resposta ‚ mais oscilatória. Quando se diminui continuamente a banda proporcional atinge se um valor limite de desvio permanente e um valor limite para o processo continuar estável. Ultrapassando se este limite, o processo entra em oscilação senoidal constante. Esta oscilação limite ocorre na freqüência natural do período. Esta freqüência e o período correspondente dependem da dinâmica do processo e da dinâmica dos outros instrumentos da malha. Só há controle automático dentro da banda proporcional. O que determina a eficiência e a qualidade do controle da malha não ‚ o tipo construção do controlador, se eletrônico ou pneumático ou se analógico ou digital, mas suas ações de controle.
Embora exista uma infinidade de processos, com diferentes graus de dificuldade de controle, as três ações de controle: proporcional, integral e derivativa, aplicadas isolada ou combinadamente permitem o controle da maioria dos processos de modo satisfatório. Numa grande industria petroquímica, em cerca de 1.000 malhas de controle tem se a seguinte aplicação de controladores: P + I = 60% P = 25% P+I+D = 14% ON-OFF= 0,5% Não-linear= 0,5% Concluindo, a quase totalidade dos controladores possui o modo proporcional, a maioria possui o modo integral e a minoria possui o modo derivativo.
4.1. Ação proporcional
A ação proporcional ‚ assim chamada porque a posição do elemento final ‚ proporcional a amplitude do erro entre a medição e o ponto de ajuste. O objetivo da ação proporcional ‚ o de estabilizar a variável controlada. O controlador proporcional puro (apenas com a ação proporcional) possui uma saída que varia continuamente entre 0% e 100%. A saída do controlador proporcional puro ‚ constante e igual a co quando o erro ‚ zero. HÁ quem pense que a saída do controlador ‚ zero, quando o erro ‚ zero. Isto seria impraticável pois a saída zero implica em elemento final de controle 0% ou 100%. Por este motivo, ‚ possível e disponível o controlador com o modo integral isolado mas não ‚ possível o controlador com o modo derivativo isolado. A ação proporcional ‚ realizada no controlador através de uma realimentação negativa do sinal de saída para a entrada da estação automática do controlador. Quanto maior a taxa da realimentação negativa, menor ‚ o ganho do controlador ou maior ‚ a banda proporcional. Assim, o ajuste da banda proporcional do controlador ‚ o ajuste da quantidade de realimentação negativa feita pelo controlador. A ação proporcional ‚ instantânea; ela está em fase com o erro entre a medição e o ponto de ajuste. Matematicamente, a ação proporcional independe do tempo. Em termos práticos, a ação proporcional cuida de quanto
ou repetir a ação proporcional e a ação integral ‚ a quantidade de vezes que a ação proporcional ‚ repetida, na unidade de tempo. São disponíveis controladores com ajustes de ação integral (repetição por tempo) e em tempo integral (tempo por repetição). Dimensionalmente, o correto para a ação integral deve ser repetição por unidade de tempo. Quando se diminui o tempo integral, aumenta se a ação integral, diminui se o erro permanente mas a malha ‚ mais oscilatória. Quando se diminui demais o tempo integral, aparece uma oscilação, com um período maior que o período natural do processo. Quando se ajusta o tempo integral muito curto o controlador pode levar o sistema para a oscilação, pois a realimentação positiva da ação integral anulou a realimentação negativa da ação proporcional muito rapidamente. Matematicamente ‚ possível se ter um controlador apenas com o modo integral, sem o modo proporcional. Mesmo quando o erro ‚ zero, ‚ possível se ter a saída do controlador diferente de zero, por causa da constante de integração. • disponível comercialmente o controlador integral puro. Ele ‚ semelhante ao controlador proporcional mais integral porém não possui o ajuste de banda proporcional. A sua saída ‚ proporcional apenas a integral do erro entre medição e ponto de ajuste. O ajuste da ação integral ‚ o tempo requerido para a saída do controlador repetir um sinal de degrau na entrada. O seu circuito incorpora um gerador de pulsos que atua na saída do controlador. A vantagem do uso isolado da ação integral, sem a ação proporcional, ‚ a possibilidade de se ter uma ação de rampa isolada, sem o degrau correspondente a ação proporcional, quando se tem um distúrbio tipo degrau. A ação integral elimina o desvio permanente porém não elimina o pico do erro (overshoot) desde que o pico ocorre antes que a ação integral comece a atuar. Para a mesma estabilidade, o uso da ação integral obriga o aumento da banda proporcional permissível, mas elimina o erro permanente deixado pela ação proporcional. Um problema adicional provocado pela ação integral ‚ a possibilidade de a saída do controlador saturar, quando ocorre erro muito demorado. Nessa situação, ocorre o chamado wind up reset. A saturação do modo integral ocorre porque a ação integral rampeia positivamente enquanto houver o erro. E esta rampa aumenta
at‚ atingir os limites naturais, que são a alimentação do controlador ou o zero. A saturação ‚ provocada, normalmente, quando há algum problema no elemento final de controle, pois não está havendo resposta do atuador ao aumento da saída do controlador. São causas potenciais da saturação do modo integral: uma válvula sub dimensionada, uma haste da válvula emperrada, a saída do controlador não está indo para o elemento final de controle (por exemplo, no controle auto- seletor). Esta saturação ‚ também comum em controle de processo tipo batelada, quando se tem o processo parado e o controlador com modo integral continuamente ligado. São disponíveis comercialmente controladores especiais para processos tipo batelada, com ajustes adicionais de pré e de batelada. O controlador proporcional mais integral estabiliza o processo e elimina o desvio permanente entre a medição e o ponto de ajuste, mesmo com as variações de carga. Porém, esta ação corretiva pode ser muito demorada e pode se ter uma qualidade de controle ruim quando o processo ‚ lento e há variações rápidas da carga. Em processo com pequenos distúrbios deve se usar banda proporcional larga e pequena ação integral.
4.3. Ação derivativa A ação derivativa ‚ usada na minoria dos controladores, porque o ajuste mínimo disponível ‚ maior que o requerido para a maioria das malhas. A ação derivativa detecta a variação do aumento ou diminuição do erro entre a medição e o ponto de ajuste e fornece uma saída proporcional a esta taxa de variação. Ela discrimina o erro por sua variação. Matematicamente, a ação derivativa ‚ proporcional a derivada do erro. Quando se tem um desvio tipo rampa, a resposta da ação derivativa ‚ um degrau. Por este comportamento de se adiantar a ação proporcional, a ação derivativa ‚ erradamente chamada de ação antecipatória. A ação derivativa não se antecipa ao aparecimento do erro; apenas se antecipa a resposta da ação proporcional. Quando aparece um erro e ele ‚ detectado pelo controlador, a ação derivativa sente sua velocidade de variação e produz uma componente corretiva proporcional a esta variação. Quando aparece um distúrbio no processo, o controlador P+I+D detecta o erro entre a
medição e o ponto de ajuste e atua no processo. Relativamente, a primeira ação a atuar ‚ a derivativa, a segunda ‚ a proporcional e finalmente, a ultima ‚ a ação integral. A ação derivativa ‚ usada para apressar a ação corretiva do controlador. A sua inclusão porém complica e dificulta a sintonia do controlador, por causa das interações com as outras ações. A ação derivativa ‚ realizada no controlador através de um atraso na realimentação negativa. Ou seja, por um período ajustável o controlador fica com o ganho elevado. Por isso esta ação só ‚ aplicada em processo lento, que pode ficar por algum tempo com alta sensibilidade. Quanto maior o tempo derivativo, maior ‚ a ação derivativa. O ajuste da ação derivativa em valor muito grande pode provocar oscilação no processo, pois o controlador fica muito tempo sem a realimentação negativa. Os componentes do circuito derivativo são os mesmos do integral, pois as funções derivada e integral são inversas uma da outra. Apenas a posição relativa dos elementos capacitivo e resistivo ‚ trocada. Quando se estuda a estabilidade relativa do sistema de malha fechada de controle, a adição de zeros na função de transferência dá maior estabilidade ao sistema. A adição da ação derivativa significa colocar um zero na função de transferência do sistema (s Td). Com efeito, a ação derivativa melhora a estabilidade do sistema de controle. Quando se tem um controlador proporcional mais integral mais derivativo em oscilação, a causa da oscilação pode ser a banda proporcional muito estreita, o tempo integral muito pequeno ou o tempo derivativo muito grande. Se a oscilação ocorre na freqüência natural do processo a sua causa ‚ o ajuste da banda proporcional muito estreita, se a oscilação ocorre em freqüência maior que a freqüência natural do processo, o motivo ‚ o ajuste do tempo derivativo muito grande e finalmente, se a oscilação ocorre em freqüência menor que a freqüência natural, o causador foi o ajuste do tempo integral muito pequeno. Muitas pessoas acham erradamente que toda variável lenta necessita da ação derivativa. A lentidão da variável ‚ uma condição necessária mas não ‚ suficiente para justificar a aplicação da ação derivativa. • também necessário que haja variação rápida da carga do processo lento para exigir a aplicação da ação derivativa. O processo lento que sofre variação lenta da carga não necessita da ação derivativa. Alias, a ação derivativa praticamente não responde a
pequenas rampas de erro. A ação derivativa não tem nenhum efeito no desvio permanente deixado pela ação proporcional. A resposta da ação derivativa ao degrau ‚ a função impulso, que ‚ igual a zero quando a entrada ‚ constante e que assume um valor altíssimo na subida do degrau. Como ‚ freqüente o distúrbio tipo degrau no processo, p.ex., a alteração rápida do ponto de ajuste pelo operador de processo, a maioria dos controladores eletrônicos e pneumáticos possui o circuito da ação derivativa atuando apenas na medição e não no erro entre a medição e o ponto de ajuste. Nos controladores com ação derivativa que não possuem esta característica, o operador de processo deve alterar suavemente o ponto de ajuste a fim de não provocar oscilação no processo. Deve se ter bem claro que a alteração do ponto de ajuste ‚ um distúrbio para o processo, pois houve alteração do ponto de operação desejado. Quando aparece um distúrbio no processo que provoca o afastamento da variável controlada do ponto de ajuste, o controlador tende a eliminar ou diminuir este desvio. Assim a ação corretiva do controlador deve ser aplicada na mesma direção e no sentido oposto ao erro. Isto significa dizer que a ação corretiva deve estar defasada de 180 graus do erro ou ainda, que deve haver uma realimentação negativa. Apenas a ação proporcional corrige o erro, porém deixa um erro residual porque ela atua com um angulo de fase diferente de 180 graus. O objetivo da ação integral ‚ o de eliminar este erro residual, girando a ação corretiva e tornando a oposta ao erro. A ação integral atrasa o sinal de correção. Quando ela ‚ insuficiente, ainda fica um pequeno erro residual. Quando ela ‚ demasiada há oscilação porque há predominância da realimentação positiva. A adição da ação derivativa ajuda a tarefa de alinhar a ação corretiva com erro. A ação derivativa adianta o sinal de correção. A ação proporcional está relacionada com o ganho do controlador e as ações integral e derivativa com o angulo de fase da correção. Em resumo, a ação proporcional determina o quanto da ação corretiva e as ações integral e derivativa estabelecem quando ‚ conveniente a aplicação da correção, de modo que não haja desvio permanente e que a eliminação do erro seja a mais rápida possível. O uso da ação derivativa permite o uso de uma menor banda proporcional e de um menor tempo integral, para a mesma estabilidade. Menor banda proporcional implica em menor erro de pico e menor erro acumulado.
processo. E este período deve ser anotado no controlador para uso futuro, para distinguir a causa de uma eventual oscilação.
Esta flexibilidade e este grau de liberdade em escolher os valores de sintonia do sistema de controle permitem que haja vários valores diferentes para os ajustes do controlador, tais como os de Ziegler & Nichols, de Murril & Smith, de Cohen & Coon e de Shinskey. Porém, o aumento da flexibilidade resulta em um aumento da responsabilidade do instrumentista, desde que maior leque de escolha implica em maior probabilidade de cometer erros.
7.1. PATRANABIS, D., "Principles of Process Control", New Delhi, Tata McGraw-Hill,
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= (^) Apostilas DOC\Artigos Sintonia.doc 23 JUN 91