Livro - Controle de Processo -7° edição
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Livro - Controle de Processo -7° edição

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Controle de
Processo

Teoria e Aplicações

7a edição (Revista)

Marco Antônio Ribeiro

FT

FY-A

FC

FY-B

Controle de
Processo

Teoria e Aplicações

7a edição (Revista)

Marco Antônio Ribeiro

Dedicado a Gonçalo Aparecido Pereira, um instrumentista e
um amigo. (1950-1986)

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala,
exprime-se claramente e de modo compreensível. Quem se exprime
de modo obscuro e pretensioso mostra logo que não entende muito
bem o assunto em questão, ou então, que tem razão para evitar falar
claramente. (Rosa Luxemburg)

© Tek Treinamento & Consultoria, 1974, 1978, 1984, 1989, 1994, 1998, 2001, 2003
Salvador, BA, Verão 2003

Prefácio
Desde que foi escrita a primeira edição deste trabalho, em 1974, ainda com o nome

de Teoria de Controle, muitas mudanças ocorreram no campo de controle de processo
industrial. Apareceram os instrumentos inteligentes, nome não muito inteligente para
instrumentos microprocessados, houve uma proliferação de computadores em aplicações de
controle e atualmente há um aumento intensivo de aplicações de controladores lógico
programáveis, substituindo os prosaicos relés eletromecânicos.

Mesmo com os avanços da tecnologia aplicada aos instrumentos que realizam o
controle de processo, as idéias básicas e fundamentais ainda são válidas e aplicáveis ao
conceito de controle.

Este trabalho Controle de Processo pretende ser uma introdução aos princípios
básicos e as práticas dos vários métodos e estratégias de controle. O desenvolvimento
matemático é o mínimo possível e é usado apenas para enfatizar os aspectos físicos e a
teoria de operação das ações de controle.
O presente trabalho faz uma revisão dos conceitos de Processo Industrial, contínuo e
discreto, mostrando os parâmetros de dificuldade de controle como tempo morto e
característico. São apresentadas as diferentes estratégias de controle através da Malha de
Controle, enfatizando a realimentação negativa, que é a base da maioria absoluta das
aplicações praticas. É apresentado o Controlador, com suas partes constituintes e para
fixar idéias, são detalhados os funcionamentos do Controlador Analógico, (pneumáticos
de painel e campo, eletrônico com amplificadores operacionais) e o Controlador Digital,
microprocessado como single loop e o bloco de controle de sistemas digitais. As ações de
Controle são explicadas, quando são mostradas características e aplicações das ações
Proporcional, Integral e Derivativa e apresentados os vários métodos de Sintonia do
Controlador, operação fundamental para a operação estável e eficiente da malha de
controle. De um modo simples, são apresentados os esquemas mais complexos,
envolvendo o Controle Multivariável, onde são vistos os conceitos, configurações e
aplicações dos sistemas de controle cascata, relação de vazões, faixa dividida e auto
seletor. Finalmente, atendendo sugestões de alunos, foi escrito um capítulo totalmente novo
acerca do Controle Lógico, mostrando as diferenças de idéias e equipamentos aplicados
ao controle contínuo convencional e o controle de processo discreto. No Apêndice, é
apresentado um Enfoque Matemático, ainda simples, do controle de processo, envolvendo
equações integrais e diferenciais.

Este trabalho constitui a base de um curso de Controle de Processo que o autor ministra
por todo o Brasil, principalmente para o pessoal da Petrobrás e é usado como livro texto em
Escolas Técnicas, Centros de Tecnologia e Faculdades de Engenharia.

As sugestões, as criticas destrutivas e as correções são benvindas, desde que tenham o
objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto.

Endereço físico do autor: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230
Fone (0xx71) 452.3195, Fax (0xx71) 452.4286 e Celular (071) 9989.9531.
E-mail: marcotek@uol.com.br.

Marco Antônio Ribeiro
Salvador, BA, Verão 2003

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Controle de Processo
Conteúdo

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1. CONTROLE DE PROCESSO 1

Objetivos de Ensino 1

1. Vantagens e Aplicações 1
1.1. Qualidade do Produto 2
1.2. Quantidade do Produto 2
1.3. Economia do Processo 2
1.4. Ecologia 2
1.5. Segurança da Planta 3
1.6. Proteção do Processo 3

2. Controle Manual 4

3. Controle de Malha Fechada 4

4. Controle com Servomecanismo 6

5.Sistemas de Controle 8
5.1. Introdução 8
5.2. Controle de temperatura 8
5.3. Controle de temperatura e vazão 9
5.4. Controle de temperatura, vazão e nível 9
5.5. Controle de temperatura, vazão, nível e análise 10
5.6. Controle preditivo antecipatório 11
5.7. Controle supervisório 11
5.8. Controle digital direto 12
5.9. Controle digital distribuído 12

Controle de Processo

 ii

2. PROCESSO INDUSTRIAL 17

Objetivos de Ensino 17

1. Processo Industrial 17
1.1. Conceito 17
1.2. Processo Contínuo 18
1.3. Processo Batelada (Batch) 19
1.4. Processo discreto 22
1.5. Processo de Manufatura de Peças 22

2. Variáveis do Processo 22
2.1. Introdução 22
2.2. Variável Controlada 23
2.3. Variável Medida 23
2.4. Variável Manipulada 23
2.5. Variáveis Aleatórias e Distúrbios 23
2.6. Grau de Liberdade e Variáveis 25

3. Controle do Processo 25
3.1. Controlabilidade do Processo 26
3.2. Parâmetros Dinâmicos 26
3.3. Inércia 27
3.4. Tempo Morto 27
3.5. Tempo Característico 29

4. Tipos Básicos de Processo 32
4.1. Processo Auto-regulante 32
4.2. Processo Integrante 33
4.3. Processo run away) 34

3. MALHA DE CONTROLE 35

Objetivos de Ensino 35

1. Malha de Controle 35

2. Instrumentos da Malha 35
2.1. Elemento Sensor 36
2.4. Transmissor 36
2.5. Transdutor i/p 36
2.8. Controlador 37
2.9. Estação Manual de Controle 37
2.10. Válvula de Controle 37

3. Malha Aberta 38
3.1. Indicação e Registro 38
3.2. Controle Manual 39
3.3. Controle Programado 39

4. Malha Fechada 39
4.1. Realimentação 39
4.2. Realimentação Positiva 39
4.3. Realimentação Negativa 40

Controle de Processo

 iii

5. Estabilidade da Malha 41
5.1. Curva de Reação ao Degrau do Processo 42
5.2. Critérios de Estabilidade 42
5.3. Função de Transferência 43
5.4. Ganho 43
5.5. Banda Proporcional 45
5.6. Ângulo de fase 46
5.7. Oscilação 46
5.8. Saturação 47
5.9. Amortecimento 47
5.10. Condições de Estabilidade 48

4. CONTROLADOR 50

Objetivos de Ensino 50

1. Conceito 50
1.1. Medição 50
1.2. Ponto de Ajuste 52
1.3. Estação Manual 52
1.4. Unidade de Balanço Automático 52
1.5. Ação Direta ou Inversa 54

2. Circuitos do Controlador 54
2.1. Controlador Paralelo 54
2.2. Controlador Série 55
2.3. Controlador Analógico 55
2.4. Controlador Digital 56

3. Controladores Pneumáticos 57
3.1. Controlador Liga-Desliga 57
3.2. Controlador de Intervalo Diferencial 57
3.3. Controlador Proporcional 58
3.4. Controlador Proporcional mais Integral 59
3.5. Controlador Proporcional + Derivativo 60
3.6. Proporcional, Integral e Derivativo 61

4. Controladores Eletrônicos 62
4.1. Controlador Liga-Desliga 62
4.2. Controlador Proporcional 63
4.3. Controlador Proporcional Integral 65
4.4. Controlador Integral 65
4.5. Controlador Proporcional Integral 67
4.6. Controlador Derivativo e a Três Modos (PID) 69
4.7. Controlador Derivativo 69
4.8. Controlador PID Paralelo 71
4.9. Over Run Derivativo 72

Controle de Processo

 iv

5. CONTROLADOR ANALÓGICO 73

1. Controlador Pneumático de Painel 73
1.1. Conceito 73
1.2. Modelos 73
1.3. Modelo Básico, 130M 74
1.4. Especificações Funcionais 75
1.5. Especificações Físicas 76
1.6. Características Opcionais e Especiais 76
1.7. Componentes Básicos 76
1.8. Unidade de Ponto de ajuste 77
1.9. Unidade