CONCEITOS BASICOS DE CONTROLO AUTOMATICO_2019

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CONCEITOS BÁSICOS DE 
CONTROLO AUTOMÁTICO
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
DISCIPLINA: CONTROLO AUTOMÁTICO 
Elaborado por: Profª Isabel Guiamba
Ano lectivo: 2018 
Semestre: Fevereiro / Junho
2
I Introdução
II Incentivos para o controlo de processos 
químicos
III Aspectos de projecto de sistemas de 
controlo
IV Componentes básicos do equipamento de 
um sistema de controlo
V Uso de computadores digitais no controlo 
de processos
TEMAS A ABORDAR
3
Uma Instalação Química é um conjunto de
unidades de processamento (reactores, bombas,
permutadores de calor, tanques, etc), ligados uns
aos outros de uma forma sistemática e racional.
O objectivo desta instalação é converter certas 
matérias primas em produtos desejados usando os 
recursos disponíveis de energia de forma mais 
económica.
VI.1 INTRODUÇÃO
4
VI.2 INCENTIVOS PARA O CONTROLO DE 
PROCESSOS QUÍMICOS
Requisitos que as fábricas têm que satisfazer:
Impõem necessidade de 
monitoramento e de intervenção 
externa (CONTROLO)
•Segurança
•Especificações dos produtos
•Regulamentação ambiental
•Restrições de operação
•Economia
5
Circuito (malhas) de controlo
ü Aberto
ü Fechado
Controlo em circuito aberto
Controlador Processo
Sistema de controlo em circuito aberto
Processo
Processo a ser controlado
Bóia
Pivô
Entra
da de 
água
Alavanca
Controle automático de 
nível de água num 
tanque(circuito aberto)
6
Controlo em circuito fechado
Controlo com realimentação
ü É a mais importante e a mais usada configuração de controlo
processo
medidor
controlador
perturbação
comparador
variável
manipulada
variável
Controlada
+–
erroset-point
ysp y
variável
medida
elem. f. de 
controlo
7
NECESSIDADES GENÉRICAS DE CONTROLO 
SISTEMADE CONTROLOAUTOMÁTICO:
É uma disposição de componentes físicos, 
conectados ou relacionados de maneira a 
comandar, dirigir ou regular a sí ou um 
processo com pouca ou nenhuma 
intervenção do Homem
►Eliminar a influência de perturbações 
externas ao processo
►Assegurar a estabilidade do processo 
►Optimizar o desempenho do processo
8
h
Fi, Ti
Fst
Vapor
F, TQ
T
CondensadoControlador
Termopar
Set point
Tsp +
T
ε
-
CSTR com aquecimento
Controlo de temperatura com realimentação
ε = set point - T
O controlo com 
realimentação
é aquele 
que ocorre 
depois 
de a perturbação
se fazer sentir
Eliminar a influência de perturbações 
externas ao processo
9
CSTR com aquecimento
Fi
Fst
Ti = constante
Controlo de nível com realimentação
Set point
Controlador
Medidor de nível
hsp
+
h
ε
-
Eliminar a influência de perturbações 
externas ao processo
10
CSTR com aquecimento Controlo de nível com realimentação 
(sistema alternativo)
Fi
Fst
Ti = constante
Set point
Controlador
Medidor de nível
hsp
+
h
ε
-
Eliminar a influência de perturbações 
externas ao processo
11
CSTR com aquecimento
Ti
Controlador
Termopar
Fi = constante
F, T
Ti
Controlo de temperatura por antecipação
O controlo por 
antecipação é 
aquele que ocorre 
antes de a
perturbação 
se fazer sentir no
processo
Eliminar a influência de perturbações 
externas ao processo
12
Respostas de sistemas 
instáveis
Resposta de um sistema 
estável
Estabilidade dos processos
13
Processos estáveis
São aqueles que ao sofrer uma perturbação, voltam por si sós ao estado 
estacionário 
Processos instáveis
São aqueles que ao sofrer uma perturbação, nao voltam por si sós ao 
Estado estacionário, isto é, necessitam de uma intervenção externa para 
a sua estabilização.
Quanto a sua estabilidade os processos classificam-se em:
• estáveis ou
• instáveis
Estabilidade dos processos
14
CSTR com camisa de arrefecimento
Ocorre no CSTR, uma reacção de 
1ª ordem, exotérmica e irreversível
A B
Os 3 estados estacionários
Do CSTR
P1 e P3 estáveis
P2 instável
Estabilidade dos processos
Exemplo
15
Resposta dinâmica do 
CSTR
a e b indicam a 
instabilidade do EE
Médio (P2)
c e d demonstram
a estabilidade dos 
estados P1 e P3
Estabilidade dos processos
16
Objectivo económico:
Maximizar o lucro Ф durante o
Periodo de tempo tR
Adecusto
dtvapdecustoBdereceitasMax
Rt
-
-= ò })(){(
0
f
Perfil óptimo do fluxo
De Vapor no reactor
Reactor Batch com duas
reacções de 1ª ordem, 
endotérmicas e consecutivas
A B C
Optimização dos processos
17
 T102
T101
K1 K2
CV03
F03CV01
F01
L1
L2
CV11
T103
CV13
L3
P12
P11
P01
Sistema com várias variáveis 
EXEMPLO DE CONTROLO DE UM SISTEMA MULTIVARIÁVEL
Ø Controlam-se duas variáveis de saida: L1 e L2 ,
Ø Manipulando duas variáveis de entrada: CV01 e CV03
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07:40:59 07:44:17 07:47:35 07:50:53 07:54:11 07:57:29 08:00:47 08:04:05 08:07:23 08:10:41 08:13:59
Time
0
 10.0
 20.0
 30.0
 40.0
 50.0
 60.0
 70.0
 80.0
 90.0
 100.0
L2L2sp
L1sp CV01
L1
CV03
20:21:47 20:25:05 20:28:23 20:31:41 20:34:59 20:38:17 20:41:35 20:44:53 20:48:11 20:51:29 20:54:47
Time
0
 10.0
 20.0
 30.0
 40.0
 50.0
 60.0
 70.0
 80.0
 90.0
 100.0
CV01
L1
L2sp L2
L1sp
CV03
Sistema mal controlado
Sistema bem controlado
RESPOSTA DO SISTEMA CONTROLADO
19
Aspectos de avaliação da qualidade 
do controlador
§ Desvio mínimo após uma perturbação;
§ Intervalo mínimo de tempo para retornar ao estado 
estacionário;
§ Diferença mínima entre a variável controlada e o 
valor de referência, quando há mudancas nas 
condições de operação.
20
Características que afectam a velocidade 
de resposta de um sistema de controlo
§ Atraso na transmissão do sinal por causa da distância;
§ Atraso na transferência de calor, em medições de 
temperatura;
§ Irregularidades ou interferências no processo;
§ Inércia e atrasos no processo e
§ Atrasos no elemento final de controle do sistema 
(Ex: deslocamento de uma válvula ou pistão).
21
Variáveis de entrada – são aquelas que independentemente estimulam o
processo e podem induzir a variações nas condições internas do processo.
Variáveis do processo
Variáveis de saída - são as que através delas se obtém a informação
Sobre o estado interno do processo.
ü Manipuladas m ® se o seu valor pode ser ajustado livremente por um
operador humano ou mecanismo de controlo
ü Perturbações d, d´ ® se o seu valor não é resultado de qualquer 
Ajustamento por um operador ou mecanismo de controlo
ü Medidas y ® se os seus valores são conhecidos por medição directa
ü Não medidas z ® se não são ou não podem ser medidas directamente
VI.3 Aspectos de projecto de um sistema 
de controlo
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Sistema de processamento
...
Saídas não medidas Z
.
.
.
Saídas
Medidas 
y
.
.
.
Variáveis
manipuladas
m
... ...
Medidas d Não medidas d’
Perturbações externas
Variáveis de estado x ® o conjunto mínimo de variáveis essenciais, para 
descrever completamente as condições do processo
23
Elementos de projecto de um sistema de controlo
a) Definir os objectivos do controlo
► Eliminar a influência de perturbações externas ao processo, ou
► Assegurar a estabilidade do processo, ou 
► Optimizar a eficiência económica da instalação, ou
► Uma combinação dos anteriores
b) Seleccionar as medições
► Medições primárias,
► Medições secundárias ou 
► Medições das variáveis de perturbação
24
► Medições primárias – são aquelas que realizam o monitoramento 
directo das variáveis que representam o objectivo de controlo.
► Medições secundárias – variáveis de fácil medição que através de um 
modelo matemático adequado permitem fazer o monitoramento das 
variáveis de controlo que não são mensuráveis.
Saídas não medidas = f(medições secundárias)
► Medições das variáveis de perturbação – permitem conhecer “a priori” 
o comportamento que o sistema irá ter e introduzir as correções.
c) Seleccionar as variáveis manipuladas
► A escolha das variáveis a manipular é uma questão crucial, dado que a 
escolha irá afectar a qualidade da acção de controlo a ser realizada.
25
d) Seleccionar a configuração de controlo
Isto é, a estrutura de informação queé usada para ligar as medições 
disponíveis com as variáveis manipuladas.
Dependendo do n° de variáveis controladas e manipuladas os 
sistemas podem ser SISO ou MIMO.
Sistemas SISO - Sistemas em que se controla uma variável de saída, 
manipulando apenas uma variável de entrada
Sistemas MIMO - Sistemas em que se controlam duas ou mais variáveis de 
saída, manipulando duas ou mais variáveis de entrada
TIPOS GERAIS DE CONFIGURAÇÕES DE CONTROLO
1. Controlo com realimentação
2. Controlo por antecipação
3. Controlo inferencial
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A variável do processo 
a ser controlada é 
medida e, o 
resultado é usado 
para ajustar outra 
variável do processo 
que pode ser 
manipulada. A 
perturbação não é 
medida.
Processo
Controlador
...
...
.
.
.
Set point
Saídas não medidas
Perturbações
.
.
.
Variáveis
manipuladas
Saídas medidas
Var. controladas
Configuração de Controlo 
com Realimentação
ØTIPOS GERAIS DE CONFIGURAÇÕES DE CONTROLO
27
A variável de 
perturbação é 
medida e usada 
para manipular 
uma certa variável 
de entrada. A 
variável controlada 
não é medida.
Configuração de Controlo 
por Antecipação
Processo
Controlador
...
...
.
.
.
Saídas não medidas
Perturbações
.
.
.Variáveis
manipuladas
Saídas medidas
28
Perturbações
Processo
Controlador
...
...
.
.
.
Set point
Saídas não medidas
Var. controladas
.
.
.
Variáveis
manipuladas
Saídas medidas
Estimação das 
Var. Controladas
não medidas
.
.
.
Var. de saída estimadas
Variáveis secundárias são 
medidas (porque as 
variáveis controladas 
não podem ser 
medidas) e usadas 
para ajustar os valores 
das variáveis 
manipuladas. O 
objectivo é manter a 
variável controlada 
(não medida), no nível 
desejado.
Configuração de Controlo 
Inferencial
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Definir a lei de controlo
e) Projectar o controlador
Tempot= o
Ti
Ti,s
Variação de temperatura em degrau
Resposta da temp. no Controlo 
Proporcional com realimentação
Resposta da temp. no controlo
Integral com realimentação
30
Exemplo 
típico 
de uma 
instalação
química e 
controlo
de sistema
31
►Processo;
►Instrumento de medição;
►Transmissor (conversor de sinal)
►Controlador;
►Elemento final de controlo;
►Linhas de transmissão;
►Registadores.
Qualquer um destes elementos deve ser visto como um 
Sistema físico, com uma entrada e uma saída.
VI.4 Componentes básicos do equipamento 
de um sistema de controlo
32
Sistema de controlo com realimentação 
33
Automático
Manual
Interruptores usados
em sistemas de
Sistemas de controlo
34
a. PROCESSO
O equipamento e as operações que nele ocorrem
b. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO
Usados para medir o valor das perturbações, variáveis 
controladas e secundárias. 
As variáveis frequentemente medidas são: temperatura, 
fluxo, pressão e nível. Outras variáveis como pH, índice de 
refracção, viscosidade, densidade,etc., podem também 
ser medidas para efeitos de controlo.
Componentes básicos do equipamento de um 
sistema de controlo
35
Fluxo
v Os medidores ultra-sónicos, electromagnéticos, rotâmetros e tubos de Pitot 
são também dos mais usados.
v A medição de fluxo é normalmente acompanhada de ruído devido a 
turbulência, necessitando o sinal, muitas vezes, de ser filtrado para a sua
suavização, antes de ser enviado ao controlador.
v O orifício é o sensor de fluxo mais comum e o fluxo é uma função da 
queda de pressão através do mesmo. Esta varia de 20 a 200 inH2O.
v A medição do fluxo é a única que se faz com o fluído em movimento
[ ]smPkF /3
r
D
= [ ]skgPkFm /
.
.
.
D== rr
36
Pressão e pressão diferencial
Temperatura
v Na medição da temperatura há sempre, um atraso na resposta.
v O termopar é o mais comumente usado, assim como o 
termómetro de bolbo.
v O termopar ferro-constantan é o mais frequentemente usado 
na faixa de 0 a 1300 °F.
v O termómetro de resistência é também muito aplicado. Possui 
alta precisão, boa sensibilidade e é mais estável que o termopar.
v Tubos de Bourdon, manómetros e difragmas estão entre os 
mais usados para medir pressão e pressão diferencial
37
Nível
v O nível de líquido pode ser detectado de várias formas. 
As mais comuns são:
Ø Bóia
Ø Medição do empuxo – corpo imerso
Ø Medição da diferença de pressão estática entre dois 
pontos
38
Cada instrumento ou sistema de instrumentação possui 3 
dispositivos básicos:
• Detector
• Dispositivo de transferência intermédio (transdutor)
• Dispositivo de saída
Detector Dispositivo
de saída
Transdutor
c. TRANSMISSOR
Serve de “interface” entre o processo e o sistema de controlo.
Converte o sinal do sensor (mV, pressão diferencial, etc), num
sinal de controlo (por ex. 4 a 20 mA).
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ü Transmissor de pressão
Assume-se que o sinal eléctrico à saída varia
de 4 a 20 mA a medida que a pressão dentro
do vaso varia de 100 a 1000 kPa (intervalo do
Tranmissor).
• Span do transmissor = 1000 – 100 = 900 kPa
• Zero do transmissor = 100 kPa
•A resposta dinâmica da maior parte dos transmissores é usualmente mais
rápida que a do processo e da válvula de controlo. Consequentemente
ela pode ser considerada como um “ganho”.
40
O “ganho” deste transmissor será:
kPa
mA
kPakPa
mAmA
900
16
1001000
420
=
-
-
Exercício
Qual será o intervalo do transmissor acima considerado se o seu 
Zero passar a ser igual a 200 kPa?
• Limite superior = 200 + 900 = 1100 kPa
• O intervalo do transmissor será de 200 a 1100 kPa
41
• Zero: 50 °F
• Span = 250 – 50 = 200 °F
• Intervalo do transmissor: 50 a 250 °F
F
mA
FF
mAmA
°
=
°-°
-
200
16
50250
420
• Ganho do transmissor =
ü Transmissor de temperatura
Exercício
Defina: o zero, span, intervalo do 
transmissor e o ganho
42
ü Transmissor de fluxo
• A queda de pressão através do orifício é 
convertida em sinal de controlo.
• Suponha que o orifício é projectado para dar 
uma queda de pressão de 100 inH20 a um fluxo 
de 2000 kg/h. O transmissor converte inH2O em
mA e o seu ganho é (16 mA) / (100 in H20).
• Interessa-nos neste caso, saber, qual a 
velocidade de fluxo na conduta e não a queda de 
pressão no orifício.
43
2F
2
2000
164 ÷
ø
ö
ç
è
æ+=
FPV
Linearizando temos: ( )
F
F
FPV 2
max
32
=
F – fluxo em kg/h
PV – saída do transmissor
d. CONTROLADOR:
Ø Inclui a função do comparador. 
Ø É a unidade lógica que decide de quanto se deve alterar o valor da 
variável manipulada. 
Ø Requer a especificação do valor desejado (ponto de ajustamento).
Uma vez que ΔP é proporcional a ,existe uma relacção não linear
entre o fluxo e o transmissor, como se mostra a seguir:
44
Outros elementos:
Relay para o controlo tudo ou nada (on-off)
Bombas
Compressores
e. ELEMENTO FINAL DE CONTROLO:
Ø É o equipamento que recebe o sinal de controlo do 
controlador e implementa-o ajustando fisicamente o valor 
da variável manipulada. 
Ø Usualmente é uma válvula de controlo.
Ø Aspectos da válvula a ter em consideração: acção, 
característica e tamanho.
45
Acção da válvula
v A válvula é projectada para ser:
Ø Aberta em falha (ar para fechar) ou
Ø Fechada em falha (ar para abrir)
v Que acção é apropriada depende do efeito da variável manipulada 
na seguranca do processo
Válvulas pneumáticas: (a) aberta em falha; (b) fechada em falha
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Tamanho da válvula
v O fluxo que passa através da válvula depende de:
Øtamanho da válvula, 
Ø queda de pressão sobre a válvula,
Ø posição da haste e
Ø propriedades do fluído 
v Em geral as válvulas comercializadas funcionam com pressões que 
variam de 3 a 15 Psig
v Para fluídos sem evaporação instantânea o
caudal através válvula é dado por: r
PxfCF v
D
= )(
ΔP - queda de pressão através válvula
CV - constante que depende do tamanho da válvula
x - abertura da válvula
f(x) - curva característica da válvula
ρ - peso específico do líquido (relativo ao ρ da água) 
47
Características da válvula
v Mudando a forma do tampão e o assento sobre a válvula, pode-se 
obter diferentes características de fluxo.
v A característicalinear de fluxo é a mais comumente usada. Assume-se 
que a queda de pressão através a válvula de controlo é constante.
v A característica “equal percentagem” usa-se quando a queda de 
pressão através da válvula não é constante.
Diversas formas de 
tampões da válvula
v A queda de pressão 
através da válvula é 
tanto maior, quanto 
menor for o fluxo e 
menor, quanto maior 
for o fluxo.
48
Curvas 
características 
da válvula 
de controlo
3 Psig ar para abrir 15 Psig
15 Psig ar para fechar 3 Psig
49
Factores de correcção das Válvulas
Válvula Linear
Onde: 
F – caudal [m3/s]
Fmax - caudal máximo [m3/s]
S – posição da haste [m], 
Smax - posição máxima da haste [m] 
Válvula de percentagem igual
Onde: R - alcance 
max)/(
min
SSRFF =
maxmax S
S
F
F
=
min
max
F
F
R =
50
Dimensionamento da Válvula de controlo
Tamanho da válvula 
(polegadas)
Cv
¼
½
1
1 ½
2
3
4
6
8
0.3
3
14
35
55
108
174
400
725
Coeficiente de caudal das válvulas de controlo
51
v Características inerentes da válvula
Relacionam o fluxo e a posição da válvula, quando a queda de 
pressão através da válvula é constante.
v Características instaladas
São aquelas que resultam da variação da queda de pressão através da
válvula.
Desempenho da válvula 
de controlo num sistema 
(características instaladas)
52
f. Linhas de transmissão:
Ø São usadas para transportar o sinal de medida do sensor 
ao controlador e o sinal de controlo do controlador ao 
elemento final de controlo. 
Ø Estas linhas podem ser pneumáticas ou eléctricas. 
g. Registadores:
Ø São usados para visualisar o comportamento do processo. 
53
VI.5 Uso de computadores digitais no 
controlo de processos
Vantagens:
v Baixo custo.
v Maior exactidão.
v Rapidez 
v A lei de controlo pode ser mais complexa e sofisticada.
v O computador recebe o sinal directamente do processo e com 
base na lei de controlo residente na sua memória determina o 
valor da variável manipulada e
v As decisões são directamente implementadas no 
processo pelo computador, através do elemento final de controlo. 
54
Há a considerar três diferentes tipos de configurações:
ü Controlo Digital Directo
ü Supervisão de controlo por computador
üPlanificação e controlo por computador
Configuração típica do Controlo 
Digital Directo (DDC)
Processo
...
...
.
.
.
Saídas não medidas
Perturbações
.
.
.
Variáveis
manipuladas
Saídas 
medidas
Computador
digital
Operador da 
consola
Interface entre o
computador e o 
processo
Interface entre o
Processo e o 
o computador
55
Computador p/ a 
Supervisão do
control
DDC p/ a
Unid. 1
DDC p/ a
Unid. 2
DDC p/ a
Unid. 3
Processo
1
Processo
2
Processo
3
...
...
Instalação química
Estrutura da supervisão do controlo por computador