Conceitos gerais sobre controle de processos, Notas de estudo de Engenharia Naval

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Controle de Processos

Aula 1– Controle de Processos. "Na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma"****. Lavoisier. 1

Objetivo

1. Identificar os principais instrumentos utilizados para a implementação de

sistemas de controle, tais como os instrumentos de medição, transmissão,

controladores e atuadores.

2. Desenvolver estratégias para controle de variáveis de processo, demonstrando

as suas características, vantagens e desvantagens.

3. Descrever a resposta dinâmica de processos industriais utilizando modelos

matemáticos fenomenológicos e empíricos, para fins de análise, projeto e

operação de sistemas de controle.

4. Projetar e sintonizar controladores de realimentação, analisando a estabilidade

da malha de controle e utilizando diferentes técnicas de sintonia disponíveis na

literatura.

5. Executar simulações para fins de estudo e controle das principais variáveis de

processos, usando o MATLAB.

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Plano de ensino da Disciplinas (Ap2) Dia Assunto Resposta dinâmica dos sistemas de primeira ordem: resposta ao degrau, rampa, resposta senoidal, resposta com atraso no tempo. Sistemas de segunda ordem (sistema superamortecido; criticamente amortecido e subamortecido. Aplicações, características, vantagens e desvantagens dos principais tipos de Controladores de realimentação. Ações Proporcional (P); Proporcional Integral (PI) e Proporcional, Integral, Derivativo (PID). Conceito de sintonia; procedimento de sintonia; objetivos da sintonia; especificação da resposta em malha fechada; métodos de sintonia existentes na literatura, em especial, o método de Ziegler e Nichols e Cohen Coon. Projeto de Sistemas de Controle de Processos. Função de Transferência da Malha Fechada. Equação Característica da Malha. Resposta da Malha Fechada no estado estacionário. Estabilidade da malha de controle. Análise de Sistemas de Controle de Realimentação através do lugar das raízes. Representação Gráfica de Diagramas de Lugar das Raízes. Análise de Sistemas de Controle através de resposta em frequência. Estudo do tutorial do Matlab (Simulink ) e reprodução de exemplos. Modelagem, simulação de processos no Simulink. Estudo de caso de sintonização, estudo de casos operacionais. Análise do desempenho da malha de controle. Modelagem, simulação de processos diversos, encontrados na literatura, trazidos pelos alunos e reproduzidos no Simulink. Estudo de caso de sintonização, estudo de casos operacionais. Análise do desempenho da malha de controle. Revisão da AP 2 AP 2

Estas aulas estão baseadas nos livros:

• Processo é uma operação ou uma série de operações realizada em um determinado equipamento, onde varia pelo menos uma característica física ou química de um material.
• Nas indústrias, o termo processo tem um significado amplo. Uma operação unitária, como por exemplo, destilação, filtração ou aquecimento, é considerado um processo.

• Um processo pode ser controlado através de medição de variáveis que

representam o estado desejado e ajustando automaticamente as outras

variáveis, de maneira a se conseguir um valor desejado para a variável

controlada. Assim, existem alguns termos que precisam ser entendidos

para melhor compreensão da disciplina:

• Variáveis de Processo: São condições internas ou externas que afetam

o desempenho de um processo, em todos os processos industriais é

absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas

variáveis de processo, tais como pressão, vazão, temperatura, nível, pH,

condutividade, velocidade, umidade, etc.

• Variável Controlada: A variável controlada de um processo é aquela

que mais diretamente indica a forma ou o estado desejado do produto.

Consideremos por exemplo, o sistema de aquecimento de água

mostrado na figura 1.

• Meio controlado: Meio controlado é a energia ou material no qual a

variável é controlada. No processo mostrado na figura 1 , o meio controlado

é a água na saída do processo, onde a variável controlada, temperatura

representa uma característica da água.

• Variável manipulada: variável manipulada do processo é aquela sobre a

qual o controlador automático atua, no sentido de se manter a variável

controlada no valor desejado. Para o aquecedor da figura 2 , a variável

manipulada pelo controlador será a vazão de vapor.

Se a temperatura aumentar, fecha a válvula Válvula Sensor de Temperatur a

• Plantas: Uma planta pode ser uma parte de equipamento ou apenas um conjunto de componentes de um equipamento que funcione de maneira integrada, com o objetivo de realizar determinada operação.
• Agente de controle: É a energia ou o material do processo, da qual a variável manipulada é uma condição ou característica. No processo da figura 2 , o agente de controle é o vapor, pois a variável manipulada é a vazão de vapor.
• Malha de controle: Quando se fala em controle, deve-se necessariamente subentender uma medição de uma variável qualquer do processo, isto é, a informação que o controlador recebe. Recebida essa informação o sistema controlador compara-a com um valor pré-estabelecido (chamado SET POINT), verifica a diferença entre ambos, e age de maneira a diminuir ao máximo essa diferença.
• Distúrbios: É um sinal que tende a afetar de maneira adversa o valor da variável de saída de um sistema
• Controle com realimentação: R efere-se a uma operação que, na presença de distúrbios, tende a diminuir a diferença entre a saída de um sistema e sua entrada de referência.

• Malha de controle Aberto: Na malha aberta, a informação sobre a variável controlada não é utilizada para ajustar qualquer entrada do sistema para compensar variações nas variáveis do processo.

• Malha de controle Fechado: Na malha fechada, a informação sobre a variável controlada, com a respectiva comparação com o valor desejado, é utilizada para manipular uma ou mais variáveis do processo.

• Malha de controle tipo feedback: Regulação em malha fechada de um trocador de calor.

• Malha de controle tipo feedback:
  • Nesse tipo de regulação automática, a ação de correção (mV) é produzida com função das diferenças entre a variável do processo e o set-point. A correção não mudará o seu sinal até que o desvio não mude. A correção é cessada quando PV=SP.
  • Essa regulação tem como objetivo manter a temperatura de saída Ts igual ao set-point (SP). Nota-se na figura o comportamento da malha quando sujeita as perturbações: − Mudança de Set-Point (caso servo) − Variação de carga Qc (caso regulador)

• Controle Manual:

• Controle Automático: