Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
GR02779 - CONTROLE DE PROCESSOS 2º Semestre de 2020 Profa. Msc. Eng. Débora Mazzali AULA 3 INTRODUÇÃO POR QUE DESENVOLVER MODELOS MATEMÁTICOS? ❖ Desenvolver pensamento estratégico de controle. Através do conhecimento do processo é possível desenvolver MM que simula, prevê cenários sem realizar testes, desenvolver estratégias de controle, melhorar ou otimizar processos, garantir os aspectos qualitativos, econômicos, ambientais e de segurança industrial. ❖ Investigar como o comportamento do sistema muda com o tempo sob a influência de mudanças nas perturbações externas e de variáveis manipuladas. Em termos de propósitos de controle, o modelo deve conter informações que permitam predizer as consequências das mudanças das condições operacionais dos processos. Vários modelos matemáticos podem ser definidos para o mesmo sistema, cada um ajustado para resolver um problema específico associado ao processo, onde o grau de detalhamento requerido dependerá do problema a ser resolvido e da quantidade e disponibilidade de informações. INTRODUÇÃO MODELAGEM MATEMÁTICA - DEFINIÇÃO ❖ Determina a representação matemática do comportamento de um sistema físico/químico existente ou a ser construído de forma tratável. ❖ A essa representação damos o nome de modelo. ❖ Modelo é a idealização da realidade que retém suas principais característica e que é matematicamente possível. Empiricamente, trata-se da identificação do processo. ❖ O êxito da modelagem dependerá do modelo matemático criado para o sistema em estudo. ❖ Quanto mais detalhada for a descrição de um processo químico, o conjunto de equações resultantes será maior e mais difícil de resolver. ❖ A modelagem matemática de um sistema dinâmico é constituída por um conjunto de equações diferenciais (EDO e/ou EDP) que representam a dinâmica do sistema com precisão ou, pelo menos, de uma forma aceitável. MODELOS MATEMÁTICOS MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO Existem dois métodos básicos de modelagem: 1) Modelagem Teórica (ou Fenomenológica) Utiliza os princípios da física e da química e/ou biológico para obter as equações diferenciais que regem o processo a ser modelado. 2) Modelagem Experimental (ou Empírica) Usa a observação direta dos dados operacionais do processo para obter as equações diferenciais que o descrevem. Geralmente, aplica-se uma sinal de entrada conhecido e mede-se a saída correspondente. A modelagem empírica não se baseia em quaisquer pressupostos teóricos, apenas aplica a descrição um certo conjunto de pontos experimentais conhecidos. PRINCÍPIOS DA MODELAGEM Princípios Gerais ❖ Os modelos são “no máximo” uma aproximação do processo real; ❖ Todos os modelos são “errados”, mas são úteis; ❖ Compromisso limitante entre exatidão, complexibilidade, custos e esforços necessários para o desenvolvimento do modelo; ❖ Envolve habilidades científicas e criativas; ❖ Utiliza modelos dinâmicos EDO e/ou EDP e ou equações algébricas. FORMULAÇÃO DA MODELAGEM PASSO-A-PASSO - DESENVOLVIMENTO DE MODELOS DINÂMICOS ❖ Definir os objetivos e a aplicação final do controle; ❖ Esboçar um diagrama do processo; ❖ Listar todas as considerações envolvidas no processo; ❖ Definir a importância do conhecimento das variáveis (Algébrica, EDO e EDP); ❖ Escrever as equações apropriadas do processo (Algébrica, EDO e EDP); ❖ Introduzir relações de equilíbrio ou outras equações necessárias (termodinâmicas, Fenômeno de transporte, cinética, equilíbrio de gases, geometria dos equipamentos, etc); ❖ Realizar a análise de grau de liberdade para verificar se as equações podem ser resolvidas; ❖ Simplificar o modelo; ❖ Classificar as variáveis do processo: D, VC, VM, C, etc. FORMULAÇÃO DA MODELAGEM Modelagem teórica ou fenomenológica ❖ As variáveis de estado são o conjuntos de variáveis que permitem representar o comportamento dinâmico do sistema de maneira teórica. ❖ O valor deste conjunto de variáveis de estado, num determinado instante de tempo, é chamado de estado. ❖ As equações que relacionam as variáveis de estados as variações do sistema (perturbações) são ditas de equações de estados e são derivadas das equações que resultam da aplicação dos princípios de conservação (balanço de massa e energia). MODELO ? MODELO Entrada Entrada Saída Saída? ? ( Análise ) ( Identificação ) Função de Transferência ( Controle ) C FORMULAÇÃO DA MODELAGEM Modelagem teórica ou fenomenológica Os princípios teóricos nos quais se baseiam os modelos do processo para sua modelagem dinâmica e de controle de processos são fundamentadas: 1- Equações de conservação • Base fundamental para o desenvolvimento do modelo • Conservação de massa, energia & momentum • EDOs lineais e não-lineares 2- Relações constitutivas • Relações semi-empíricas necessárias para completar o modelo • Taxas cinéticas, taxas de calor, etc. • Equações algébricas não lineares 3- Estimação de parâmetros • Necessários para determinar os parâmetros desconhecidos tais como: constantes de velocidade de reação, os coeficientes de transferência de calor, etc., etc. • Estimação dos valores dos parâmetros que mais se aproximam aos dados disponíveis FORMULAÇÃO DA MODELAGEM Tipos de modelos a. Caixa Preta (RNA – Redes Neurais) ✓Empírico; ✓Inclui grande número de parâmetros; ✓Considera um conjunto de dados experimentais obtidos de maneira rápida ou não; ✓Estrutura subjetiva de modelo; ✓Limitação por extrapolação dificultada. b. Caixa Cinza (Semi-empírica) ✓Estrutura simples de modelagem; ✓Boa versatilidade (pode ser extrapolado) c. Caixa Branca (modelagem simples) ✓Considera apenas as variáveis de entrada e a física do sistema. LEIS DE CONSERVAÇÃO LEIS DE CONSERVAÇÃO BALANÇO DE MASSA LEIS DE CONSERVAÇÃO BALANÇO POR COMPONENTES BALANÇO DE ENERGIA Relacionada com a capacidade de produção de ação e movimento em um corpo ou sistema e pode se manifestar de diversas formas. Os principais tipos são: ✓ Energia Mecânica: capacidade de um corpo realizar trabalho (armazenada ou transferida) ✓ Energia Cinética: capacidade de um corpo gerar movimento ✓ Energia Potencial: energia armazenada transformada em movimento ✓ Energia Térmica: calor liberado pelo movimento das partículas (armazenada ou transferida) ✓ Energia Química: grau de movimento dos átomos e moléculas de um corpo ✓ Energia Elétrica: produzida a partir das cargas elétricas das partículas subatômicas ✓ Energia Luminosa: manifestada através da luz visível ✓ Energia Sonora: percebida pelo sentido da audição ✓ Energia Nuclear: contida no núcleo dos átomos e emitida na forma de radiação LEIS DE CONSERVAÇÃO BALANÇO DE ENERGIA GLOBAL - 1a Lei da Termodinâmica EF do sistema - EI do sistema = Energia líquida transferida para o sistema ▪ A energia inicial do sistema (EI) é dada por: UI + ECI + EPI ▪ A energia final do sistema (EF) é dada por: UF + ECF + EPF ▪ A energia líquida transferida para o sistema é dada por: Q + W Q e W representam o trabalho realizado e o calor transferido para o sistema pelas vizinhanças. LEIS DE CONSERVAÇÃO LEIS DE CONSERVAÇÃO BALANÇO DE MOVIMENTO FORMULAÇÃO DA MODELAGEM ❖ Todos os modelos irão incluir uma ou mais equações de equilíbrio. ❖ A maioria também vão usar um conjunto de equações constitutivas para definir melhor os termos específicos nas equações de equilíbrio. Relações constitutivas mais comuns incluem: ✓ Relações de propriedade e equações de estado ✓ Transportar as relações de fluxo ✓ Expressões taxa de reação ✓ Expressões de equilíbrio ✓ Relações de fluxo de fluido RELAÇÕES CONSTITUTIVAS EXEMPLO 1: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) FE Fs RELAÇÕES CONSTITUTIVAS Um líquido entra em um tanque com uma vazão (FE) e sai com uma vazão (Fs). O líquido no tanque apresenta nível h. A vazão de saída varia de acordo com o nível do tanque de forma h/R. Assim, quanto maior for o nível do tanque maior será a vazão de saída do tanque. Dessa forma, se Fs > FE o tanque irá esvaziar, e se Fs < FE o tanque irá transbordar. Imagine que se deseja manter o nível emum valor desejado h independentemente da vazão de entrada FE. Para atingir esse objetivo é necessária a utilização de controle de processo. Apresente uma estratégia de controle para o nível do tanque e a modelagem matemática do controlador. Dimensões e constantes: FE = 20 m³/h R = 0,10 h/m² A = 10 m² R Fs FE EXEMPLO 1: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) MODELAGEM MATEMÁTICA BALANÇO DE MASSA: mAcumulada = mEntra – mSai Fac = FE - Fs →mas, Fac = variação de volume do tanque = dV/dt dV/dt = FE - Fs→mas, V = Abh → Adh/dt representa a variação do nível do tanque (altura = h) no tempo Adh/dt = FE - Fs →mas, Fs = resistência da válvula na saída do tanque = h/R Adh/dt = FE - h/R Rearranjando matematicamente em função de h e resolvendo a integral, tem-se: Adh/dt + h/R = FE (se*R) → ARdh/dt + h = R FE → ARh’(t) + h(t) = R FE Resolvendo para Regime Permanente (h’(t) = 0) → h(t) = RFE EXEMPLO 1: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) MODELAGEM MATEMÁTICA BALANÇO DE MASSA: Adh/dt = FE - Fs Adh/dt = FE - h/R dh/dt = 1/A (FE - h/R) Dimensões e Constantes: FE = 20 m³/h R = 0,10 h/m² A = 10 m² Fs FE Em regime permanente: h = 2,0 m EQUAÇÂO: ARh’(t) + h(t) = RFE RLinear FE Fs EXEMPLO 1: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) MODELAGEM MATEMÁTICA Em um processo com dois tanque acoplados, um líquido entra no tanque 1 com uma vazão Q0(t) e sai pelo tanque 2 com uma vazão Qs(t). A vazão de saída no tanque 1 varia de acordo com o nível do tanque 1 e 2 de forma Rh1-h2. A vazão de saída no tanque 2 varia de acordo com o nível do tanque 2 na forma Rh2. Note que, a vazão do tanque 1 está em função do tanque 2 enquanto que a vazão do tanque 2 está em função dele mesmo. Assim, imagine que se deseja manter o nível dos dois tanques em um valor conhecido h1 e h2. Para atingir esse objetivo é necessária a utilização de controle de processo. Apresente uma estratégia de controle para o nível dos dois tanques e a modelagem matemática do controlador. Dimensões e constantes: Q(t) = 5ft³/min. R1 = 2,5ft2,5/min. R2 = 5ft2,5/6min. A1 = 5ft² e A2 = 10ft² EXEMPLO 2: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) com 2 Tanques MODELAGEM MATEMÁTICA TQ1 - BALANÇO DE MASSA: mAcumulada = mEntra – mSai Fac = FE - Fs →mas, Fac = variação de volume do tanque = dV1/dt dV1/dt = FE - Fs→mas, V1 = Ab1h1 Mas, A1dh1/dt representa a variação do nível do tanque 1 (altura = h1) no tempo. Logo, A1dh1/dt = FE - Fs →mas, Fs = resistência da válvula na saída do tanque 1 = R1h1-h2 A1dh/dt = FE – R1h1-h2 Rearranjando matematicamente em função de h1 e resolvendo a integral, tem-se: A1dh1/dt = FE - R1h1-h2 → A1dh1/dt + R1h1-h2 = FE → h1’(t) + R1 h1(t)-h2(t) = FE Resolvendo para Regime Permanente (h’(t) = 0) → h1(t)-h2(t) = FE/R1 EXEMPLO 2: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) com 2 Tanques MODELAGEM MATEMÁTICA TQ2 - BALANÇO DE MASSA: mAcumulada = mEntra – mSai Fac = FE - Fs →mas, Fac = variação de volume do tanque = dV2/dt dV2/dt = FE - Fs→mas, V2 = Ab2h2 Mas, A2dh2/dt representa a variação do nível do tanque 2 (altura = h2) no tempo. Logo, A2dh2/dt = FE - Fs →mas, FE = resistência da válvula na saída do tanque 1 = R1h1-h2 →mas, Fs = resistência da válvula na saída do tanque 2 = R2h2 A2dh/dt = R1h2-h2 - R2h2 Rearranjando matematicamente em função de h1 e resolvendo a integral, tem-se: A2dh/dt = R1h2-h2 - R2h2 → A2dh1/dt + R2h2 = R1h2-h2 → h2’(t) + R2 h2(t) = R1h1(t)-h2(t) Resolvendo para Regime Permanente (h2’(t) = 0) → h2(t) = [R1h1(t)-h2(t)/R2] EXEMPLO 2: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) com 2 Tanques MODELAGEM MATEMÁTICA BALANÇO DE MASSA: dh1/dt = 1/A1 [Q0(t) – R1(h1-h2) ] dh2/dt = 1/A2 [ R1(h1-h2) – R2h2 ] Dimensões e constantes: q(t) = 5ft³/min. R1 = 2,5ft 2,5/min. R2 = 5ft 2,5/6min. A1 = 5ft² e A2 = 10ft² Em regime permanente: h1 = 10ft h2 = 6ft EQUAÇÕES: (h1-h2) = [ Q0(t)/R1 ]^0,5 h2 = [ R1h1-h2/R2 ]^0,5 EXEMPLO 2: BALANÇO DE MASSA GLOBAL/GERAL (massa/tempo) com 2 Tanques MODELAGEM MATEMÁTICA EXEMPLO 3: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) sem reação química Dimensões e constantes: Q0 = 2 mol/m³ h = 1,5 m R = 0,001m2,5/s. Um líquido entra em um tanque com uma vazão Q0(t) de 1,0 mol/m³ e sai com vazão Q(t). O tanque descarrega o liquido por uma válvula com R = 0,001m2,5/s, sendo que o comportamento da válvula de saída é expresso por Rh. Sabe-se também que, o tanque tem diâmetro de 1,0m e nível no estado estacionário de 1,5m. Determine o modelo matemático e a concentração do componente do tanque em regime permanente. MODELAGEM MATEMÁTICA BALANÇO DE MASSA: mAcumulada = mEntra – mSai Fac = FE - Fs →mas, Fac = variação de volume do tanque = dV/dt dV/dt = FE - Fs→mas, V = Abh → Adh/dt representa a variação do nível do tanque (altura = h) no tempo Adh/dt = FE - Fs →mas, Fs = resistência da válvula na saída do tanque = Rh Adh/dt = FE - Rh →mas, em regime permanente h = 1,5m é um valor constante. Logo o volume do tanque não varia. Nesta situação, FE = Adh/dt - Rh→mas se Adh/dt = 0 Então, a equação fica: FE = Fs EXEMPLO 3: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) sem reação química MODELAGEM MATEMÁTICA BALANÇO DO COMPONENTE: nAcumulada = nEntra – nSai nac = nE - ns →mas, nac = variação de mols da solução = dn/dt dn/dt = nE - ns →mas, n = CV → VdC/dt representa a variação da concentração da solução no tempo VdC/dt = CEVE - CsVs →mas, V = é o volume que entra e que sai do tanque. Logo, volume/tempo é F VdC/dt = CEFE - CsFs → em regime permanente h é constante. Logo, FE = Fs = Rh e C’(t) = 0 C’(t) = 1/V [ FECE(t) - FECs(t) ] → Cs (t) = 1/Rh [ C0 (t)*Q0 ] EXEMPLO 3: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) sem reação química MODELAGEM MATEMÁTICA Dimensões e constantes: C0 = 2 mol/m³ h = 1,5 m R = 0,001m2,5/s BALANÇO DE MASSA: Adh/dt = Q0(t) - Qs(t) Adh/dt = Q0(t) - Rh Q0(t) = Adh/dt + Rh BALANÇO DO COMPONNTE: VdC/dt = C0Q0 - CsQs VC’(t) = C0 (t)*Q0 – Cs (t)*Rh C’(t) = 1/V [ C0 (t)*Q0 – Cs (t)*Q0 ] EQUAÇÕES: Q0(t) = Adh/dt + Rh Cs (t) = 1/Rh [ C0 (t)*Q0 ] Em regime permanente: Cs = 2 mol/m³ EXEMPLO 3: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) sem reação química MODELAGEM MATEMÁTICA Dimensões e constantes: Q0(t) = 6,5.10 -³ m³/min C0(t) = 2,126 mol/m³ V = 0,24 m³ k = - 0,017 min-1 Um líquido entra em um tanque com vazão de 6,5.10-³ m³/min e sai com uma vazão Qs(t). O volume do tanque, em regime permanente, é de 0,24m³. Determine: a) O modelo matemático para a concentração do componente considerando que o líquido apresenta reação química com k = - 0,017 min-1. b) A concentração do componente de saida considerando a concentração de entrada sendo de 2,126 mol/m³ no estado estacionário. EXEMPLO 4: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) com reação química A → B MODELAGEM MATEMÁTICA EXEMPLO 4: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) com reação química BALANÇO DE MASSA: mAcumulada = mEntra – mSai Fac = FE – Fs →mas, Fac = variação de volume do tanque = dV/dt dV/dt = FE - Fs →mas, V = Abh → Adh/dt representa a variação do nível do tanque (altura = h) no tempo Adh/dt = FE - Fs →mas, Fs = resistência da válvula na saída do tanque = Rh Adh/dt = FE - Rh MODELAGEM MATEMÁTICA EXEMPLO 4: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) com reação química BALANÇO DO COMPONENTE: nAcumulada = nEntra – nSai + Vreação nac = nE - ns + Vr →mas, nac = variação de mols da solução = dn/dt dn/dt = nE - ns + Vr →mas, n = CV → VdC/dt = variação da concentração da solução no tempo VdC/dt = CEVE - CsVs + Vr →mas, V = é o volume que entra e que sai do tanque. Logo, volume/tempo é F. Então: VdC/dt = CEFE – CsFs + Vr →mas, Vr é a velocidade de formação da reação = k[A]V VdC/dt = CEFE – CsFs + kCAV → Rearranjando tem-se: dC/dt = 1/V [ CEFE – CsFs ] + kCA MODELAGEM MATEMÁTICA BALANÇO DO COMPONNTE: dn/dt = n0 - n + Vr VdC/dt = C0Q0 – CQ + Vr VdC/dt = C0Q0 – CQ - kCV Em regime permanente: C0= 2,126 mol/m³ EXEMPLO 4: BALANÇO DE MASSA POR COMPONENTES (mol/tempo) com reação química A → B BALANÇO DE MASSA: Adh/dt = Q0 - Qs Adh/dt = Q0 - Rh Q0 = Adh/dt + Rh EQUAÇÕES: Q0(t) = Ah’(t) + Rh C0(t) = 1/Q0 [ C(t)Q0 + kCV ] Dimensões e constantes: Q0(t) = 6,5.10 -³ m³/min C0(t) = 2 mol/m³ V = 0,24 m³ k = - 0,017 min-1 MODELAGEM MATEMÁTICA TE QE Ts Qs Determine o modelo matemático para a temperatura de um reservatório que contém uma resistência elétrica com troca calor por convecção e que não possui nem alimentação nem descarga (QE e Qs = 0), ou seja, trata-se de um processo em batelada. EXEMPLO 5: BALANÇO DE ENERGIA (Joule/tempo) O calor pode ser transferido para um reservatório de diferentes maneiras: • Por condução: q = Ui = Ri² (resistência elétrica) • Por convecção: q = hA(Tamb – T) • Por radiação: q = εAσ(Tv 4-T4) • Por reação: q = rΔHrV MODELAGEM MATEMÁTICA EXEMPLO 5: BALANÇO DE ENERGIA (Joule/tempo) BALANÇO DE ENERGIA: ΔET = ΔEU – ΔEP + EC →mas, ΔEP e EC são desprezíveis. Logo, ΔEP e EC = 0 ΔET = ΔEU → ET = Q + W Q + W = U →mas, H = U + PV ou U = H – PV. Em regime permanente (P e V = 0). Então U = H. Q + W = H →mas, não há trabalho sendo exercido no sistema. Portanto, W = 0 Q = H →mas, Q = mCpΔT H = mCpΔT MODELAGEM MATEMÁTICA EXEMPLO 5: BALANÇO DE ENERGIA (Joule/tempo) BALANÇO DE ENERGIA: Reescrevendo a equação para o Balanço de Energia do sistema apresentado: dH/dt = HE – HS + Q → Substituindo a Equação anterior no BE, tem-se: mCp ΔT/dt = [mCpΔT]E - [mCpΔT]S + [ hA(Tamb – T) + Ri² ] →mas, m = ρV = ρhA e FE = FS = 0 ΔT/dt = 1/ ρVCp * [ hA(Tamb – T) + Ri² ] MODELAGEM MATEMÁTICA EXEMPLO 5: BALANÇO DE ENERGIA (Joule/tempo) TE FE Ts Fs BALANÇO DE ENERGIA: ΔEac = ΔEE – ΔEs + EG - Ec ΔU = Q ΔH = mCpΔT dH/dt = HE – Hs + [Q + R] EQUAÇÃO: dT/dt = 1/ρVCp [ Ri² + hA(Tamb-T) ] ATIVIDADE PÓS-AULA Resolver o exercício proposto na atividade de Pós Aula disponibilizado na sala virtual da disciplina. Lembre-se que esta atividade vale presença na aula de hoje e auxilia no entendimento do conteúdo apresentado durante a aula. Bons Estudos! ATIVIDADE PÓS-AULA A1 –> BM: Processo de medição de nível de 2 tanques em séries aberto para atmosfera Um sistema formado por dois tanques está ilustrado na figura ao lado. O primeiro tanque possui duas alimentações de água Q0 = 0,005m³/s e Q4 = 0,001m³/s e descarrega com uma válvula de R = 0,01m2,5/s. O segundo tanque recebe a vazão de descarga do primeiro mais uma vazão Q3 = 16 litros/s e descarrega com uma válvula de R = 0,03m2,5/s. Determine o modelo matemático para o nível dos dois tanques no estado estacionário. Considere A = 1m² e comportamento das válvulas de saída como sendo Rh. ATIVIDADE PÓS-AULA Dois tanques em série, sem interação, servem para homogeneizar duas correntes com concentrações de alimentação C0 (t), C3(t) e C4(t), conforme ilustra a figura. Considerando o nível constante nos dois tanques, determine o modelo matemático para a concentração da solução de ambos os tanques sabendo-se que o tanque 1 e 2 descarregam através de válvulas com comportamento Rh. A2 –> BC: Processo de medição de nível de 2 tanques em séries aberto para atmosfera debora.mazzali@usf.edu.br
Compartilhar