TA 3 Algoritmo de controle

Prévia do material em texto

Eduardo da Mota Jardim
PARTE 3
Tecnologia da Automação 
Programa
Parte 1: Revisão de Conceitos de Automação e Controle
Parte 2: Arquiteturas de Automação Industrial
Parte 3: Controle de Processos
Parte 4: Estratégias de ControleParte 4: Estratégias de Controle
Parte 5: Tecnologias disponíveis
Parte 6: Estudo de Casos
Parte 3: Controle de ProcessosParte 3: Controle de Processos
Controle de Processos
(Conceitos Básicos)
• Controle de Processos Contínuos
• Controle de Processos por Batelada
• Controle Avançado• Controle Avançado
• Feedback 
• Feedforward
• Controle:
– Servo
– Regulatório
Exemplo de um projeto de controle
Permutador de Calor
Produto quente
Água de 
refrigeração
Balanço de Massa
Balanço de Energia
Produto frio
Produto quente
Água 
quente
Componentes de um Sistema de Controle
Diagrama em Blocos
ANALÓGICO 
+
L(s)
R(s)
+
-
+
+
+
+
C(s)
N(s)
Gc(s) Gv(s) Gp(s)
Hs(s)Hf(s)
E(s) M(s)
Função de Transferência e Variáveis
• Gc(s) : FT do Controlador
• Gv(s) : FT do elemento final de controle
• Gp(s) : FT do Processo
• Hs(s) : FT do instrumento de medição
• Hf(s) : FT do filtro de entrada do controlador
• N(s) : Ruído
• L(s) : Perturbação de carga
• R(s) : Set Point
• M(s) : Variável manipulada
• C(s) : Variável de Processo
• E(s) : Erro 
Conceitos de Modelagem e Controle de Processos
PROCESSO A 
SER 
CONTROLADO
m(t) c(t)
Atua
dor
Sensor
e(t)r(t)
Contro
lador
Domínio da frequência (Transf. Laplace)
Domínio do Tempo contínuo (Eq. Estado)
Domínio do Tempo discreto (Transf. Z)
Diagrama em Blocos 
DIGITAL
R(z)
Conversor 
D A
Gc(s)Controlador 
DIGITAL
Hold Ordem 
Zero
+
Filtro 
DIGITAL
D ADIGITAL
Sample
Hold
Conversor 
A D
Zero
-
Diagrama em Blocos
Sistema de Controle 
Opção Auto-Manual
Critério de Desempenho
1. Os sistemas de controle digitais podem ser representados por um 
diagrama em blocos simplificado.
2. Distúrbios devem ser controlados e/ou compensados, ruídos devem ser 
eliminados e/ou atenuados. 
Conceitos importantes sobre Simulação e Controle Digital (1)
3. A dinâmica do processo (Tm – Tempo morto e Tal - Constante de Tempo) 
é função das características físicas do processo a ser controlado. 
4. Os processos físicos possuem uma frequência máxima de interesse com 
comportamento análogo a um filtro passa baixa.
5. A função de transferência do sensor e atuador pode ser incorporada à 
função de transferência do processo considerando sempre a dinâmica do processo 
muito superior (lenta) em relação a dinâmica dos elementos de controle (rápida).
6. A frequência de amostragem (1/T) deve ser no mínimo duas vezes a 
máxima frequência de interesse do processo: Teorema de Nyquist-Shannon.
7. O período de amostragem T é função da dinâmica do processo (Tm e 
Tal ), existindo uma constante de tempo dominante, limitada a máxima 
frequência de interesse. Regra prática: TalD/10 < T < TalD/5.
Conceitos importantes sobre Simulação e Controle Digital (2)
8. A duração da retenção da ação de controle é igual a T e constante. 
(Hold de Ordem Zero).
9. Ao utilizar controle digital o número da amostra (k) é igual ao número 
de vezes que o algoritmo de controle roda, sendo o tempo t = k.T (T = Período 
de amostragem).
10. A correção atual m(kT) sempre é função do erro atual , dos erros 
anteriores e das correções anteriores. 
Algoritmos de Controle
• Liga / Desliga (com gap)
• Proporcional
• Integral
• Derivativo• Derivativo
bias)
dt
de(t)
Tde(t)dt
Ti
Kc.(e(t)m(t)  
1
Ações de Controle - PID
• Proporcional
– A correção é proporcional a amplitude do erro (Banda – A correção é proporcional a amplitude do erro (Banda 
Proporcional BP=100/Kp, sendo o Ganho = Kp).
• Integral
– A velocidade de correção é proporcional a amplitude do 
erro.( Tempo Integral Ti, sendo o Ganho = 1/Ti). 
• Derivativa
– A amplitude de correção é proporcional a velocidade do 
erro. (Tempo Derivativo Td, sendo o Ganho = Td).
Recursos adicionais de controladores
• Bumpless: Possibilita a transferência de manual 
para automático sem geração de erro para o algoritmo.
• Anti-reset Wind-up: Evita a saturação da ação 
integral quando a malha estiver aberta.
• Tracking: Permite o rastreamento do valor da 
correção a partir de uma entrada externa.
Comportamento dinâmico de sistemas de 
controle em malha fechada
• Caso1: Sistema Oscilatório - Marginalmente estável 
(raízes imaginárias).
• Caso 2: Sistema Sub-Amortecido - Oscilações com • Caso 2: Sistema Sub-Amortecido - Oscilações com 
amortecimento exponencial (raízes complexas).
• Caso 3: Sistema Super-amortecido - Sem sobre-
elevação (raízes reais).
• Caso 4: Sistema Criticamente amortecido -Pequena 
sobre-elevação, sem oscilações (raízes reais repetidas).
Estudo de Caso
Obtenção de Algoritmos 
Discretos para Controle DigitalDiscretos para Controle Digital
1. Algoritmo Incremental de segunda ordem
2. Implementação de algoritmos discretos
Bibliografia de consulta:
1. Digital Control System – Analisis and Design 
Autores: Phillips &Nagle Ed. Prentice Hall
2. Feedback Control Systems 
Autores: Phillips Harbor Ed. Prentice Hall
3. Computer Controlled Systems
Autores: Astrom & Wittenmark Ed. Prentice Hall
4. Discrete Time Control System 
Autor: Ogata Ed Prentice Hall
5. Applied Digital Control
Autor: Leigh Ed. Prentice Hall
6. Applied Process Control – A case Syudy 
Autores: Newell e Lee Ed. Prentice Hall
Referências Bibliográficas
• Nise, Norman S., Engenharia de Sistemas de Controle, 6a ed., Rio de 
Janeiro LTC 2016
• Groover, Michael, Automação Industrial e Sistemas de Manufatura, 3a ed., 
São Paulo, Prentice Hall, 2011
• Campos, Mario C. M., Controles Típicos de Equipamentos e Processos 
Industriais, São Paulo, Ed. Blucher, 2006
• Campos, Mario C. M., Controle Avançado e Otimização na Industria de • Campos, Mario C. M., Controle Avançado e Otimização na Industria de 
Petróleo, 1a ed., Rio de Janeiro, Interciência, 2013
• Goble, William, Control Systems Safety and Reliability – Techniques and 
Applications, 2nd ed., ISA, 1998 
• Ziegler, J.G., Nichols, N.B., “Optimum Settings for Automatic Controllers”, 
Transactions of the ASME, 1942.
• Goettsche, L. D., Maintenance of Instruments &Systems, ISA, 1995.
• Jardim, E.M., Jota, F.G., “Pratical Automatic Tuning Methods of PID
Controllers for a Sour Water Stripper”, The 3rd IEEE Conference On Control
Applications, Glasgow, Escócia, 1994.
• Jardim, E.M., Utilização de Controladores com Sintonia Automática e Auto 
Sintonizáveis em Processos Industriais, UFMG, 1993. Tese de Mestrado.