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Controle de Processos
A primeira etapa consiste em entender e saber responder a perguntas tais como:
- o que é controle de processos?
- por que controlar um processo?
- (^) como controlar um processo?
- o que o engenheiro é capaz de fazer para isto? Por definição, o processo químico é toda unidade de processamento (ou a combinação de várias unidades de processamento) usada para converter matéria-prima em produto acabado através de mudanças químicas, físicas, mecânicas ou térmicas (Figura 1).
Figura 1 – Representação de um processo químico A planta de um sistema de controle é definida como sendo a parte do sistema a ser controlada. Ex: reator químico, caldeira, gerador, etc. O processo é definido como sendo a operação a ser controlada na planta. Ex: processo químico, físico, biológico, etc.
Os processos químicos são, por natureza, "dinâmicos”, ou seja, estão variando continuamente no tempo, seja por interferências externas seja por mudanças (voluntária e involuntárias) na operação. Desta forma, para alcançar os objetivos básicos da operação de um processo químico faz-se necessário “monitorar” e ser hábil para “induzir mudanças” em certas variáveis chaves do processo que estão relacionadas à segurança, taxas de produção e qualidade dos produtos. As duas tarefas - “monitorar certas variáveis do processo” e “induzir mudanças em variáveis adequadas do processo” - são as funções primordiais do Sistema de Controle. Controlar um processo significa, então, atuar sobre ele, ou sobre as condições a que o processo está sujeito, de modo a atingir algum objetivo - por exemplo, podemos achar necessário, ou desejável, manter o processo sempre próximo de um determinado estado estacionário, mesmo que efeitos externos tentem desviá-lo desta condição. Este estado estacionário pode ter sido escolhido por atender melhor aos requisitos de qualidade e segurança do processo Os princípios básicos que norteiam a operação de um processo químico têm como objetivos básicos: a) Segurança – as unidades de processamento devem ser operadas de forma a garantir a integridade dos operadores, dos equipamentos e do meio ambiente. b) Taxas de Produção Estabelecidas – a quantidade de produtos requerida de uma planta a qualquer ponto no tempo é ditada, geralmente, pelas demandas de mercado e, portanto, deve ser perseguida em concordância com a capacidade de produção da unidade. c) Qualidade dos Produtos – as especificações de qualidade são de fundamental importância e devem ser mantidas para evitar reprocessamento e geração de descartes ou resíduos. d) Restrições operacionais – os equipamentos e o próprio processo têm restrição de operação. Exemplos: o refervedor não deve operar a seco, as colunas de destilação não devem operar inundadas, a temperatura de um leito catalítico não deve exceder um certo limite, etc. e) Produtividade – quantidade desejada e dentro da especificação para que a operação seja rentável. f) (^) Econômicos – produtos finais dentro da especificação com o menor consumo de energia possível.
A sala de controle é a maior interface entre o operador e a planta. Nesta, através de uma interface homem-máquina (a tela de um sistema digital de controle distribuído, por exemplo) as variáveis do processo são apresentadas, em fluxogramas, na forma de frontais de equipamentos, em gráficos de tendências, etc. Estes sinais vêm do campo a partir de instrumentos instalados (sensores de vazão, temperatura, pressão e composição), que são padronizados e transmitidos para o computador de processo. Neste, algoritmos de controle definem a atuação em variáveis que são manipuladas para manter o processo em condições desejadas, através de atuadores (válvulas, bombas de velocidade variável, etc) que recebem o sinal padronizado de controle.
O desafio é, então, o de dominar a dinâmica do processo para que este se mantenha dentro dos limites de segurança e atenda às especificações no produto no nível mais econômico, respeitando regras de regulamentação ambientais. Nesta linha, surge a oportunidade de utilizar os conceitos matemáticos (dos mais simples aos mais avançados) para projetar estratégias de controle.
O engenheiro de controle busca como as variáveis de operação se relacionam, como atuar em certas variáveis de processo de forma que as variáveis controladas mantenham-se nos níveis desejados. A escolha das variáveis manipuladas e da lei de controle que calcula a ação sobre estas constitui uma estratégia de controle****. A análise, o projeto e a implementação deste sistema é tarefa do profissional da área de controle.
Assim, o Engenheiro / Químico pode ter participação ativa nas seguintes atividades:
- contribuir na fase de projeto (projeto controlável )
- determinar estratégias de controle
- selecionar sensores (tipo, localização)
- selecionar elementos finais de controle
- dimensionar sistemas de controle
- contribuir no desenvolvimento da interface com os operadores ( displays ) Um sistema de controle confiável permite operar próximo aos limites impostos pela segurança, pelo meio-ambiente e pelo processo (temperatura máxima, pureza mínima), o que permite alterar as condições de operação normais (Figura 2 - linha tracejada) para uma condição mais favorável (Figura 2 - linha contínua).
Figura 2 – Influência das ações de controle na variável de processo
Os ganhos associados a uma menor variabilidade se tornam ainda maiores em processos onde existem transições entre produtos com diferentes graus ou especificações, como ocorre freqüentemente no refino do petróleo e em unidades de polimerização. Inevitavelmente, durante a transição, haverá um período em que será gerado um produto fora de especificação, que será reciclado (maior gasto de energia) ou vendido (a preços mais baixos). A seleção de uma boa estratégia de controle permite reduzir o tempo de produção fora da especificação, e conseqüentemente melhora o resultado econômico do processo.
Perturbações ou distúrbios (ruído) – são sinais que tendem a afetar o valor da entrada e/ ou saída de um sistema. Se a perturbação é gerada dentro do sistema, ela é denominada interna. Caso contrário, é considerada como um sinal de entrada do sistema. Estão sempre presentes, dificultam a ação de controle, e é impossível eliminá-las por completo
- Requisitos de um Sistema de Controle
A exigência fundamental de um sistema de controle é ser estável , isto é, apresentar estabilidade absoluta (a resposta de saída volta ao seu estado de equilíbrio quando o sistema é sujeito a uma perturbação). Deve também, apresentar um boa estabilidade relativa , isto é, a velocidade de resposta deve ser rápida e esta resposta deve apresentar um bom amortecimento.
Os sistemas de controle são classificados em dois tipos: sistemas de controle em malha aberta e sistemas de controle em malha fechada. A distinção entre eles é determinada pela ação de controle, que é componente responsável pela ativação do sistema para produzir a saída.
3.a) Sistema de Controle em Malha Aberta
É aquele sistema no qual a ação de controle é independente da saída, ou seja, a decisão do controlador não está baseada em qualquer informação (medida) do processo. Neste caso, conforme mostrado na Figura 6, a saída não é medida e nem comparada com a entrada. A ação é implementada a partir de situações predefinidas. Um exemplo prático deste tipo de sistema , é a máquina de lavar roupa. Após ter sido programada, as operações de molhar, lavar e enxaguar são feitas baseadas nos tempos pré-determinados. Assim, após concluir cada etapa ela não verifica se esta foi efetuada de forma correta (por exemplo, após ela enxaguar, ela não verifica se a roupa está totalmente limpa). Outro exemplo comum para este tipo de configuração de controle são os semáforos de trânsito. O tempo de abertura e fechamento dos semáforos não é uma resposta de controle baseada na medida de fluxo de carros, mas sim uma resposta baseada num tempo predefinido de abertura e fechamento.
Figura 6 – Sistema de controle em malha aberta.
3.b) Sistema de Controle em Malha Fechada É aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, conforme pode ser visto através da Figura 7, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a fim de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. Um exemplo prático deste tipo de controle, é o controle de temperatura da água de um chuveiro. Neste caso, o homem é o elemento responsável pela medição da temperatura e baseado nesta informação, determinar uma relação entre a água fria e a água quente com o objetivo de manter a temperatura da água no valor por ele tido como desejado para o banho.
Figura 7 – Sistema de controle em malha fechada. 3.b.1) Controle por realimentação ( Feedback ) – opera de forma que a informação de saída do processo é sentida antes do controlador, conforme pode ser visto na Figura 8. É importante apontar a natureza intuitiva desta estrutura de controle. As decisões do controlador são tomadas “após o fato acontecido”.
Figura 8 – Esquema de controle feedback. (ii) Controle por antecipação ( Feedforward ) – nesta configuração, como mostra a Figura 9, a informação da variável de entrada distúrbio é obtida e enviada para o controlador, tal que a decisão do controlador é tomada com base na informação de entrada, antes do processo ser afetado pelo distúrbio. A principal característica desta configuração é a escolha de medir a variável de distúrbio em vez da variável de saída que se deseja controlar. Apesar das vantagens deste controlador em relação à ação antecipatória, um inconveniente nesta configuração é o fato de que o controlador não tem informação sobre as condições de saída do processo e, portanto, não é hábil para determinar a precisão da compensação aos distúrbios pelo processo.
Figura 9 – Esquema de controle feedforward. Vantagens Desvantagens Feedback • fácil compreensão
- fácil implementação
- fácil sintonia (ajuste dos parâmetros
- necessita que ocorra o desvio p/ que atue
- diferentes sintonias p/ diferentes perturbações
- abordagem monovariável (uma variável
de controle)
- independe do tipo de perturbação
controlada, uma variável monitorada)
Feedforward • reage antes que o sistema seja perturbado
- adequado a sistemas lentos
- requer medição de perturbação
- específico p/ cada perturbação
- controle é sob medida p/ cada processo
- sensível a variações de parâmetros do processo
As variáveis de processo mais importantes que são selecionadas para receber a atenção do sistema de controle, tipicamente, possuem valores de interesse que são chamados de set- points. Manter estas variáveis chaves do processo em seus valores preestabelecidos ( set-points ) é o principal objetivo do sistema de controle, seja ele manual ou automático. No entanto, como já foi dito, os processos são dinâmicos por natureza e as variáveis de saída desviam-se dos set- points ao longo da operação, ou como respostas aos efeitos dos distúrbios ou por conta de mudanças de set-points.
Tem-se um controle regulatório quando a tarefa do sistema de controle é unicamente contra-agir os efeitos dos distúrbios, buscando manter a saída no set-point estabelecido (Figura 10a). Atua de modo a minimizar o transtorno causado pela perturbação.
Tem-se um controle servo quando, numa mudança de set-point , o sistema de controle tem a capacidade de fazer com que a variável de controle (saída) siga em direção ao novo valor de set-point (Figura 10b). O sistema de controle atua de modo a obedecer a mudanças de set-point.
(a) (b) Figura 10 – Representação típica de resposta para controlador (a) regulatório e (b) servo.
- Atrasos no processo
Todo processo possui características que determinam atraso na transferência de energia e/ou massa, o que consequentemente dificulta a ação de controle, visto que elas são inerentes aos processos. Quando, então, vai se definir o sistema mais adequado de controle, deve-se levar em consideração estas características e suas intensidades. São elas: tempo morto, capacitância e resistência.
Tempo morto – é o intervalo de tempo entre o instante em que o sistema sofre uma variação qualquer e o instante em que esta começa a ser detectada pelo elemento sensor. Também é chamado de atraso de transporte. Quanto maior o tempo morto do processo, maior é a dificuldade de seu controle.
Como exemplo veja o caso do controle de temperatura apresentado na Figura 11. Para facilitar, suponha que o comprimento do fio de resistência R seja desprezível em relação à distância l (m) que o separa do termômetro e que o diâmetro da tubulação seja suficientemente pequeno. Se uma tensão for aplicada em R como sinal de entrada fechando-se a chave S conforme a Figura 11, a temperatura do líquido subirá imediatamente. No entanto, até que esta seja detectada pelo termômetro como sinal de saída, sendo V(m/min) a velocidade de fluxo de líquido, terá passado em tempo dado por L = l/V (min). Este valor L corresponde ao tempo que decorre até que a variação do sinal de entrada apareça como variação do sinal de saída recebe o nome de tempo morto. Este elemento tempo morto dá apenas a defasagem temporal sem variar a forma oscilatória do sinal.
Figura 11 – Exemplo do elemento tempo morto.
onde e1 > e2 são valores predeterminados. Se o erro estiver no intervalo [e2, e1], a saída não é alterada. Este intervalo costuma ser denominado banda morta. Este tipo de controle é comum em equipamentos térmicos (geladeiras, condicionadores de ar). Os controladores com ação proporcional determinam a saída por meio da equação
onde bias representa o sinal de saída na condição "neutra" (saída do controlador para e = 0). K (^) c é chamado de ganho do controlador ou ganho proporcional. Alguns livros e catálogos ainda usam o termo banda proporcional ao invés do ganho. A banda proporcional, expressa em percentagem, é o inverso do ganho:
O sinal do ganho do controlador pode ser positivo ou negativo e é quem determinará a ação do controlador, que pode ser direta ou reversa. Se tivermos ganho positivo e mantivermos constante o set point, qual será a sua resposta a uma variação da PV? Se a PV aumenta, o erro diminui ( e = SP - PV ) e conseqüentemente a saída CO diminui. Este comportamento é chamado de ação reversa. Ganhos negativos fazem com que CO aumente quando a PV aumenta: ação direta. IMPORTANTE: a ação do controlador (direta/ reversa) deve ser escolhida de forma compatível com a ação do elemento final de controle (falha abre/ falha fecha), de modo que a ação conjunta (controlador + elemento final) seja adequada aos objetivos de controle. O objetivo da ação proporcional é o de estabilizar a variável de controle, ou seja, trazer o processo de volta ao set point quando ele é perturbado. É aplicado nos processos com pequena variação de carga e em processos onde pode haver pequenos desvios da medição em relação ao ponto de ajuste. O nível é a variável tipicamente controlada apenas com a ação proporcional.
Os controladores de ação integral (reset ou reajuste) obedecem à equação:
onde F 07 4 I é o tempo integral e a ação é aplicada com base na integral do erro no tempo. É muito empregada pela sua capacidade de ser proporcional à duração do erro existente. Sua principal finalidade é reajustar a medida (PV), tornando-a igual ao set point (SP), ou seja, eliminar o desvio permanente deixado pela ação proporcional. Nunca é usada isoladamente, estando sempre associada à ação proporcional.
Se não houver erro, a saída do controlador não se altera. Contudo, o efeito oscilatório pode levar o processo à instabilidade.
Para se eliminar a ação integral do controlador, coloca-se o tempo integral ( F 07 4 I ) no máximo possível. Para aumentar a ação integral, deve-se ajustar o tempo integral ( F 07 4 I )em valores baixos.
Os controladores de ação derivativa (razão) obedecem à equação:
onde F 07 4 D é o tempo derivativo, tempo pelo qual a ação derivativa antecede a ação proporcional. Deve ser limitado para evitar problemas de instabilidade. A ação derivativa contribui para a saída do controlador sempre que houver variação no erro. Esta característica torna inapropriado o seu uso em sinais com ruídos (a exemplo de sinais de nível e de vazão), pois os mesmos são amplificados. Por outro lado, é muito usada em variáveis lentas como temperatura e composição, já que antecipa a saída do controlador (CO)
É possível associar estas ações P (proporcional), I (integral) e D (derivativa) obtendo algoritmos compostos (PI, PD, PID). A equação de um controlador PID pode ser dada por:
Considera-se também que a variável manipulada u(t) será dada na forma de uma lei de controle proporcional, ou seja:
, (6)
onde K é uma constante (ou um parâmetro do controlador) chamada de ganho proporcional. Esta lei de controle feedback proporcional é uma das mais simples e talvez a mais intuitiva. Com esta lei o controlador muda a variável de entrada de forma proporcional ao desvio observado na variável de saída. À medida que o nível h aumenta (ou diminui) do valor desejado hs , a vazão na saída do tanque deve também aumentar (ou diminuir) proporcionalmente para fazer uma compensação e trazer o nível de volta para o valor desejado. Desta forma, substituindo as Equações 6 e 7 na Equação 4, obtém-se a seguinte equação de controle para o processo:
, (7)
cuja resolução analítica tem como resposta:
. (8)
Alguns aspectos importantes devem ser observados com relação a este problema: (i) Se não houvesse a ação de controle (para K=0 na Equação 7), a resposta do sistema seria:
. (9) É possível observar na Equação 9 que, nesta condição, o nível do líquido (representado em termos do desvio y) aumentaria indefinidamente após o aumento da vazão de entrada F (^) i de seu estado estacionário (F (^) is) para um valor (F (^) is+ξ). Assim, a limitação física da capacidade do tanque implicaria num transbordamento do mesmo após um certo tempo. (ii) Com o controle feedback proporcional, a resposta do sistema (Equação 8) para t→∞ se estabelece num novo estado estacionário, dado por: . (10)
Nota-se que este novo estado estacionário (Equação 10) é diferente do valor desejado. O valor desejado seria para que h permanecesse em h (^) s ou y=0. No entanto, esta condição não é possível para valores finitos de K. Somente para K=∞ é que y=0. Como na prática o ganho do controlador (K) é um parâmetro finito, neste problema o controlador não teria a capacidade de trazer a variável de saída para o valor desejado. Embora isto aconteça, a resposta do sistema submetido a este controlador é significativamente melhor do que o caso de não haver ação de controle (onde a resposta do sistema aumentaria indefinidamente). A diferença entre o novo valor de estado estacionário e o set-point especificado é o que se chama de offset. É importante observar na Figura 16 que o offset nesta situação pode ser reduzido aumentando-se o valor do ganho proporcional do controlador (K).
Figura 16 – Resposta de um sistema submetido a um controle Feedback proporcional.
Configuração 2: Feedforward com manipulação na vazão de descarga do tanque.
Nesta configuração (Figura 17), a vazão do líquido que entra no tanque (variável distúrbio) é medida sai por gravidade a uma vazão determinada pela pressão hidrostática e pela resistência da válvula de descarga do líquido, que é uma válvula manual fixada numa certa posição de abertura e que não varia com o tempo. A vazão de entrada do líquido é agora usada para regular o nível, empregando-se uma estratégia feedback.
Figura 17 – Esquema de controle Feedforward para controlar o nível do tanque. Para determinar uma lei de controle que satisfaça esta configuração, faz-se uso do conhecimento das características deste processo de modo a sugerir que: “se todo líquido que entra no tanque sai na mesma quantidade, não haverá acúmulo nem perda e o tanque se manterá no mesmo nível”. Logo, a lei requerida para este caso é que F=F (^) i para todo tempo. Matematicamente, tem-se: ou (11) Admitindo-se que a densidade não varia, o balanço de massa resulta em: (12) Substituindo a Equação 11 na Equação 12, tem-se: ou h = constante. (13) As implicações deste controlador é que se a vazão de alimentação puder ser medida com grande precisão e se o elemento final de controle (válvula de controle) puder regular a vazão de descarga com grande precisão, esta estratégia manterá o nível constante para todos os tempos, o que resulta num controle puramente “regulatório”. Por outro lado, se a medida da variável e a implementação das mudanças não forem precisas, o controlador falhará indefinidamente. Logo, do ponto de vista prático, a precisão da medida e da regulagem constitui uma limitação importante e poderia tornar este esquema inadequado. Além disso, tal esquema particular de controle, no exemplo em questão, não permite que mudanças de set-point para o nível do líquido sejam implementadas e, portanto, não admite um controle do tipo “servo”.
Configuração 3: Feedback com manipulação na vazão de alimentação do tanque. Nesta configuração (Figura 18), o fluido sai por gravidade a uma vazão determinada pela pressão hidrostática e pela resistência da válvula de descarga do líquido, que é uma válvula manual fixada numa certa posição de abertura e que não varia com o tempo. A vazão de entrada do líquido é agora usada para regular o nível, empregando-se uma estratégia feedback.
Figura 18 – Esquema de controle Feedbck para controlar o nível do tanque.
Admitindo-se que a densidade do líquido não varia, o balanço de massa resulta em:
, (14)
sendo F a vazão na válvula de descarga dada, matematicamente, por:
. (15)
No estado estacionário, a Equação 14 fica:
. (16)
Uma subtração da Equação 14 pela Equação 16 para obter o modelo em termo das variáveis desvios não é possível devido a não-linearidade do modelo, como mostram as Equações 17 e 18.
. (17)
O processo em consideração nesta seção parte do problema do estudo de caso I explorado anteriormente com a complicação adicional de que se deseja controlar, além do nível do tanque, a temperatura do líquido que deixa o tanque. Para isto, duas correntes de alimentação (uma quente e outra fria) são dispostas no processo, conforme mostra a Figura 19.
Figura 19 – Esquema de controle feedback para regular nível e temperatura do tanque. Segundo a Figura 19, a malha de controle do nível está fechada com atuação na vazão de líquido frio (F (^) frio), enquanto que a malha de controle de temperatura está fechada com atuação na vazão de líquido quente (F (^) quente). Embora o problema pareça simples, o mesmo é nada trivial e
algumas questões podem ser levantadas:
- Quem garante que a corrente quente não seria mais efetiva como variável de controle para regular o nível? E quem garante que a corrente fria não seria mais efetiva para regular a temperatura?
- Qual variável de controle poderia ser usada para regular as variáveis de saída com máxima efetividade?
- A corrente fria pode regular o nível do líquido sem afetar a tarefa do fluido quente de regular a temperatura do líquido? Ou ainda, a corrente quente pode regular a temperatura do líquido sem afetar a tarefa do fluido frio de regular o nível? A resposta para estas indagações é que neste processo todas as variáveis de entrada afetam todas as variáveis de saída. O controlador de nível sempre interferirá sobre a temperatura do líquido e, conseqüentemente, sobre o controle de temperatura. O inverso também é verdadeiro, ou seja, o controlador de temperatura afetará o nível do líquido e, por conseguinte, afetará o controlador de nível. Esta situação de mútua interferência é conhecida como “interação” e é o elemento chave na análise do comportamento dos processos que possuem múltiplas entradas e múltiplas saídas.
Desempenho de controladores Qualitativamente, o desempenho de um controlador pode ser avaliado pela sua capacidade de manter a variável controlada próximo ao valor desejado (set point), mesmo em presença de perturbações externas. Em aplicações práticas, porém, pode ser desejável "medir" o desempenho de um controlador por meio de um índice que permita buscar melhoras de desempenho. Alguns índices sugeridos na literatura e na prática são dados a seguir. Em geral, eles consideram a resposta do controlador a uma perturbação em degrau.
- coeficiente de amortecimento, obtido ao comparar a resposta do controlador à de um sistema de segunda ordem; Luyben ( Process modeling, simulation and control for chemical engineers (Número de Chamada BICEN: 66.0 L978p 2ed./1990)), por exemplo, recomenda um valor entre 0,3 e 0,5;
- overshoot, ou seja, o máximo desvio do set point observado logo após a perturbação;
- velocidade de resposta, definida como o tempo necessário para atingir o setpoint (não necessariamente se estabilizando no set point);
- taxa de decaimento, medida como a razão entre as amplitudes de duas oscilações sucessivas;
- tempo de resposta, considerado como o tempo a partir do qual as oscilações se limitam a uma certa fração (geralmente 5%) da mudança de set point;
- diversos índices calculados por integração de uma função do erro ao longo do tempo: ISE (integral do quadrado do erro), IAE (integral do valor absoluto do erro) ou ITAE (integral do produto entre tempo e valor absoluto do erro).
Cada critério tem suas vantagens e desvantagens, e têm fornecido material para muitas discussões na literatura. Shinskey ( Feedback controllers for the process industries , McGraw- Hill, 1994) discute os méritos relativos de diversos índices de desempenho e situações em que eles não se aplicam.
Todos os critérios acima "premiam" a capacidade de levar a variável controlada para próximo do set point. Em alguns casos, isto não é necessário nem desejável: por exemplo, uma malha de controle de nível em um tanque pulmão não precisa ser mantida junto ao setpoint (qual seria a conseqüência?). Antes de aplicar um critério de desempenho qualquer, verifique antes se ele faz sentido para a aplicação.
Outro aspecto não considerado nos índices de desempenho é a robustez do controlador. É possível ajustar um controlador com um excelente desempenho para perturbações pequenas, mas que seja instável quando ocorrer uma perturbação maior. Ao considerar a segurança.
Desempenho de controladores tradicionais
- Controlador on-off (liga-desliga, duas posições, tudo ou nada, 0-1, radical, bang-bang) O controle on-off, evidentemente, não consegue manter a variável em um set point. O comportamento da variável controlada equivale a uma oscilação próximo aos valores equivalentes aos comandos on e off do controlador. A figura a seguir ilustra a resposta de um sistema sob controle on-off, mostrando que a oscilação não é necessariamente senoidal. A linha vermelha indica o valor desejado da variável controlada; observe que a média não equivale necessariamente ao valor desejado.
Uma característica interessante do controle on-off é que o valor médio da variável controlada muda conforme a perturbação externa. Este efeito é observado em sistemas de condicionamento de ar: mantido o set point, a temperatura média é mais alta em dias quentes.
Também é utilizado em desligamento de segurança (shut-down) para a proteção de pessoal e equipamentos durante as condições anormais de processo.
Principal vantagem: baixo custo. Principal desvantagem: oscilação constante.
- Controlador proporcional A figura a seguir ilustra o comportamento de uma variável controlada por um controlador proporcional após uma perturbação externa em degrau. O set point é indicado pela linha vermelha.
Uma característica do controlador proporcional é que ele não consegue "zerar" o desvio do set point, deixando um erro residual (offset). Explique por que o controlador não consegue mudar a variável controlada quando ele atinge a região do offset.
- Controlador PI Ao adicionarmos a integral do erro, o controlador passa a não tolerar que um desvio do setpoint seja mantido por muito tempo. Desta forma, elimina-se o problema do offset.
- Controlador PID A ação derivativa tira proveito da informação de processo que permite prever, a curto prazo, a tendência da variável de processo. Assim, ao observar que a variável está aumentando, a ação derivativa atuará no sentido de reduzí-la, mesmo que o erro e a integral do erro apontem em outra direção. Desta forma, a ação derivativa torna a resposta do controlador mais rápida.
dados permite identificar o comportamento do processo e propor parâmetros para a sintonia de controladores.
O livro de W. L. Luyben, Process modeling, simulation and control for chemical engineers (Número de Chamada BICEN: 66.0 L978p 2ed./1990) propõe duas leis básicas para quem pretende trabalhar com controle de processo.
1ª lei: o sistema de controle mais simples e que atende aos requisitos é o melhor 2ª lei: entender o processo é requisito para controlá-lo
Controle avançado
1. Conceito
Os controladores estudados anteriormente se caracterizam por uma relação biunívoca entre uma variável controlada e uma variável manipulada. Em diversas situações, é interessante utilizar formas distintas de relacionar mais de uma variável controlada e/ ou mais de uma variável manipulada.
Uma das formas mais simples é a atuação do controlador em duas válvulas ( split-range ) distintas, cada válvula correspondendo a uma faixa da saída do controlador. Neste caso, uma única variável controlada permite a manipulação de duas outras variáveis. Observe que, neste exemplo, dependendo das faixas de atuação, somente uma variável é manipulada de cada vez.
2. Controle de razão (proporcional)
Uma situação muito comum em unidades de processo é a necessidade de manter uma relação entre quantidades. Em unidades com escoamento contínuo, isto se traduz na necessidade de manter uma razão entre vazões de correntes distintas. O controle da razão é fundamental em processos com reação química, onde se deseja manter uma relação estequiométrica entre reagentes (relação ar/ combustível em uma fornalha, por exemplo), em processos de separação (refluxo em colunas de destilação) e de mistura ( blending ).
Geralmente, uma das vazões é determinada por outros sistemas da unidade ou fora dela. O objetivo do sistema de controle, então, é manipular a outra vazão para que, mesmo que a primeira vazão varie, a razão permaneça o mais constante possível.
Uma forma de implementar o controle de razão consiste em medir as duas vazões e calcular a razão entre elas. Este valor calculado passa a ser a PV para um controlador de razão (FFC), que recebe um set point e manipula uma das vazões para que ela fique proporcional à outra.
Esta implementação apresenta uma desvantagem: em determinadas situações (partida, emergências), pode ser necessário controlar a vazão e não a razão. Um outro esquema, freqüentemente utilizado na prática, é o de utilizar um controlador de vazão para a segunda corrente de processo que opere em três modos: manual, automático e razão. Os modos manual e automático são os tradicionais; o modo automático permite que o operador forneça um set point de vazão. O modo razão utiliza um elemento (FY) que multiplica a vazão da primeira corrente por um set point de razão, determinando assim o set point do controlador de vazão.
3. Controle em cascata
Provavelmente, a estratégia de controle avançado mais aplicada na prática é o controle em cascata. O controle em cascata utiliza pelo menos duas variáveis controladas para atuar sobre uma única variável manipulada.
O controle em cascata consiste de duas ou mais malhas de controle integradas. A malha interna contém a válvula e o controlador chamado escravo. A malha externa abrange o outro controlador, denominado controlador mestre, cuja saída fornece o set point para o controlador escravo.
O controle em cascata é eficaz em situações onde existem perturbações a serem eliminadas. É o caso do controle de temperatura pela injeção de vapor: caso fosse utilizado apenas um controlador de temperatura atuando diretamente sobre a válvula de vapor, não haveria como compensar eventuais variações de pressão na linha de vapor. O uso de um controlador de vazão escravo permite atuar de forma diferenciada durante as variações de pressão.
Em alguns casos, o controle em cascata tem um desempenho melhor do que o controle simples por uma única variável.
4. Controle seletivo (override)
Existem processos em que uma variável manipulada, que interfere sobre mais de uma variável de processo, exige estratégias diferentes dependendo do estado do processo. A vazão de vapor para o fundo de uma coluna de destilação, por exemplo, afeta a temperatura do fundo e, pela vaporização do líquido, o nível do fundo da coluna. Em uma situação normal de operação, provavelmente se deseja que a vazão de vapor seja utilizada para controlar a temperatura do fundo, mas se o nível estiver muito baixo, pode passar a ser prioritário o controle do nível de fundo, para evitar a perda de sucção das bombas de descarga e talvez o entupimento do refervedor.
O controle seletivo opera por meio de elementos comparadores, que selecionam o maior ou o menor entre dois ou mais sinais, enviando somente um deles à válvula de controle (ou ao controlador escravo).
5. Controle inferencial (controle de relação)
Em alguns casos, a variável a ser controlada não pode ser medida de forma econômica. Uma abordagem é o controle inferencial, em que a variável controlada não é medida diretamente e sim calculada a partir de outras variáveis de processo que podem ser medidas mais facilmente.
Um exemplo típico é o controle de composição. Em misturas binárias em fase vapor, a composição pode ser determinada a partir da pressão e da temperatura por meio de uma equação de estado.
Outro exemplo extremamente comum é o controle de vazão mássica, que pode ser feito a partir de medições da vazão volumétrica, da temperatura e (no caso de gases) da pressão. Exemplos mais sofisticados incluem o cálculo do excesso de ar ou da carga térmica de uma fornalha e a modelagem de propriedades físicas de produtos (índice de octanagem de gasolinas, ponto de fluidez de plásticos, etc.).
6. Controle feedforward
A implementação de estratégias de controle feedforward normalmente envolve o conhecimento de modelos do processo que permitam determinar o melhor valor da variável manipulada a partir do valor atual da(s) variável(is) monitorada(s).
A imprecisão do modelo é um aspecto de segurança importante que dificilmente permite a implementação de estratégia feedforward "puras". Em geral, o valor calculado pelo controlador feedforward é enviado a um controlador feedback, aumentando a robustez do sistema.
7. Controle multivariável
O uso de modelos que representam o comportamento dinâmico do processo permite a implementação de controladores que, por meio de simulação, podem calcular mais de um valor
