Aula 7 - Ações Básicas de Controle

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<p>Ações Básicas de Controle</p><p>Processos Estáveis e Instáveis</p><p>Ação ON-OFF</p><p>Ação Proporcional</p><p>Ação Diferencial</p><p>Ação Integral</p><p>Ação PID</p><p>AULA 7</p><p>Todos os direitos reservados</p><p>Prof. Me. José Geraldo Arantes</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>O investimento das indústrias em sistemas de controle automático está em constante crescimento. Os sistemas de controle buscam manter alguma grandeza física em certa condição ou valor. Controlar um processo significa manter alguma de suas variáveis em uma determinada condição:</p><p>Sempre igual a um valor desejado;</p><p>Próxima do valor desejado;</p><p>Oscilando próxima do valor desejado.</p><p>Em outras palavras, controlar um processo consiste em medir a variável que se deseja controlar, comparar este resultado de medição com o valor desejado e agir no sistema para que esta diferença seja diminuída, como ilustrado na figura e no gráfico acima.</p><p>O principal objetivo do controle automático de processo é conseguir que uma variável dinâmica se mantenha constante em um valor específico através de ações básicas destes controles, que são, então, os modos como um controlador produz um sinal de controle.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS</p><p>Processos Estáveis</p><p>Sistemas em malha aberta sempre são estáveis. Já nos sistemas em malha fechada existe a possibilidade de instabilidade devido a atrasos no tempo to (entre o sinal de entrada e o sinal de saída). Os processos estáveis, ou autoregulantes possuem uma espécie de controle interno, inerente a ele. Eles possuem um amortecimento, de modo que se regulam automaticamente.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>Estes processos são facilmente controlados, pois ajudam na limitação do desvio da variável controlada. Um sistema é então estável se, para todo sinal com amplitude aplicado na entrada, o sinal de saída também é limitado. Do contrário, se o sistema é instável, um sinal de amplitude limitada na entrada gera uma saída que divergirá com o passar do tempo, ou seja, a amplitude do sinal de saída tenderá a crescer indefinidamente tendo grande impacto na estabilidade.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS</p><p>Processos Estáveis</p><p>Para melhor compreensão, será explicado a seguir o que é um processo estável através de um exemplo:</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>A vazão de saída Qs é função do nível Lo. Se Lo é constante, implica que Qs é igual à vazão de entrada Qe. No instante to, faz-se uma pequena abertura na válvula de entrada, o que causa um aumento de Qe.</p><p>Portanto, L começa a aumentar e o mesmo acontece com Qs. Após um certo período de tempo, o nível para de subir, estabilizando-se em um novo patamar L1, momento em que a vazão de saída Qs será novamente igual à vazão de entrada Qe.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS</p><p>Processos Instáveis</p><p>Processos que se comportam da maneira exposta no slide anterior, ou seja, que retornam à estabilidade sem intervenção externa, são chamados de processos estáveis. No entanto, ao se fazer uma pequena modificação no processo anterior acrescentando uma bomba de vazão constante na saída, e repetindo os passos e a análise anterior, observa-se que desta vez o nível não mais se estabilizará sem que haja alguma interferência externa. Esses processos recebem o nome de processo instáveis.</p><p>.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS</p><p>Processos Instáveis</p><p>A resposta de malha aberta de um processo instável não atinge um valor limite estável, quando se aplica um degrau unitário em sua entrada. A sua saída varia conforme uma rampa ascendente, crescendo continuamente, até atingir o valor limite natural do processo.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS</p><p>Processos Instáveis</p><p>Uma resposta típica a uma alteração de carga pode ser decomposta em duas partes: regime transitório e regime permanente. O regime transitório é o período no qual, a partir de uma variação inicial, a variável controlada apresenta alterações. O projeto de um controle deve considerar características do regime transitório como tempo de subida, amplitude máxima da oscilação e tempo de acomodação. O regime permanente é o período a partir do qual a variável controlada converge para um valor ou comportamento aproximadamente constante. Nessa fase o objetivo é reduzir o erro.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>permanente</p><p>Mo – pico da resposta ou overshoot</p><p>te – tempo de estabilização ou acomodação</p><p>ts – tempo de subida</p><p>L – Atraso ou tempo morto</p><p>No regime permanente, o valor da variável controlada oscila com uma amplitude reduzida em torno do setpoint. Como se verá mais adiante, esse comportamento, em geral, é uma característica da ação de controle liga-desliga. O ideal é que não ocorra oscilação e, quando isto é estritamente necessário, ações de controle mais elaboradas devem ser utilizadas</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>PROCESSOS ESTÁVEIS E INSTÁVEIS</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Foi visto que no controle automático, efetua-se sempre a medição variável controlada (saída), compara-se este valor medido com o valor desejado e a diferença entre estes dois valores é então processada para finalmente modificar ou não a posição do elemento final de controle. O processamento é feito em uma unidade chamada unidade de controle através de cálculos matemáticos. Cada tipo de cálculo é denominado ação de controle e tem o objetivo de tornar os efeitos corretivos no processo em questão os mais adequados.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>Existe uma enorme gama de controladores comerciais no mercado, cada uma com suas vantagens e desvantagens em relação a sua função. Aqui são apresentados quatro tipos de ações básicas de controle que podem ser utilizados isoladamente ou associados entre si e dois modos de acionamento do controlador. Iniciaremos definindo estes dois modos para em seguida estudar cada tipo de ação e suas associações principais.</p><p>Ação liga-desliga (ON-OFF); ação proporcional (P); ação integral (I); ação derivativa (D); proporcional, integral, derivativa (PID).</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Vamos considerar um exemplo simples para demonstrar a ideia básica de como um controle automático atua sobre um típico processo industrial. Observe a figura abaixo e imagine que a válvula que controla o gás que alimenta os queimadores do forno está desligada por um longo tempo.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>Devido a isso, o sistema apresenta temperatura constante próxima à temperatura ambiente, neste exemplo 25ºC. Se a válvula do gás é manualmente aberta em 80% do fluxo total, uma grande quantidade de calor começa a entrar no forno e, inicialmente, a temperatura passa para 67ºC. Como a temperatura ambiente permanece em 25ºC, as leis da física estabelecem que, nessas condições, uma quantidade de calor do forno é cedido para o ambiente.</p><p>Além disso, quanto maior a diferença mais calor é cedido. Nosso exemplo mostra que a temperatura continua aumentando até que a perda de calor para o ambiente seja compensada pelo calor fornecido pelos queimadores e a temperatura se estabilize em 175ºC.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Vamos considerar agora que a temperatura do ambiente, por qualquer razão, aumente para 27ºC. Com a diferença de temperatura entre o forno e o ambiente, também diminui o fluxo de calor do primeiro para o segundo. Nessas condições, a temperatura do forno aumenta novamente e estabiliza em 176ºC. Para fazer com que a temperatura volte aos 175ºC é necessário fazer com que o calor trocado entre o forno e o ambiente interfira mais fortemente na temperatura final do forno. Para tanto, é necessário reduzir</p><p>manualmente o fluxo de gás através de um novo ajuste da respectiva válvula.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>Observe que dependendo da variação da diferença de temperatura é necessário ajustar a válvula de modo a aumentar ou diminuir o fluxo de gás. Para facilitar a compreensão é necessário entender o conceito de “ganho” nesse contexto que é calculado a partir do quociente entre</p><p>a taxa de mudança na saída e a taxa de mudança na entrada. Nesse caso, a taxa de saída é representada pela variação na temperatura do forno, e a taxa de entrada é representada pelo fluxo de gás que alimenta os queimadores. A partir do que foi exposto, o objetivo do nosso estudo é substituir o controle manual por um controle automático.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Usualmente, sistemas de controle sofrem a ação de distúrbios, como atrito e folgas. Esses distúrbios podem ser representados como sinais de entrada no sistema que afetam diretamente o sistema a ser controlado. Para manter o valor da variável controlada no setpoint são implementados algoritmos (rotinas escritas em linguagem de programação, por exemplo, ladder implementada a um CLP) ou ações de controle que agem sobre o processo.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>Em muitos sistemas básicos o controle pode ser efetuado a partir de uma simples chave liga-desliga que é acionada/desacionada, por exemplo, a partir de uma determinada temperatura ou nível do reservatório. Nesse tipo de ação, o controlador compara o sinal de entrada com a realimentação e, se a saída superar a entrada, desliga o atuador; se a realimentação for menor, liga o atuador.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Refrigeradores são exemplos nos quais um termostato controla o compressor, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico. Quando a temperatura fica abaixo de um determinado valor, um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato, o que leva o compressor a se mudar, e algum tempo depois o bimetálico retorna à posição original, fechando o contato e ligando o compressor novamente.</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>São os dispositivos que "controlam" um sistema de automação, processo industrial ou parte dele através de algoritmos de controle específicos, tais como processo PID, lógica fuzzy ou redes neurais. Podem controlar uma malha ou loop de controle (single-loop) ou mais de um loop (mult-loop). Podem ser ainda equipamentos programáveis, capazes de realizar diversos tipos de algoritmos lógicos e matemáticos.</p><p>Controladores</p><p>Entre eles podem estar os controladores de processos, CLPs, e as soluções DCS ou SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído). Tomam as decisões nos sistemas de controles (SC), de acordo com a entrada de sinal enviada por um elemento primário (sensores de temperatura, pressão, vazão, etc..) executa a lógica de controle pré-determinada (através de programação), compara com a realimentação, retorno, ou feed-back (em controle de malha fechada), enviando um sinal de comando ao atuador, ou elemento final de controle. (válvulas, atuadores,</p><p>servo-motores, inversores de frequência, etc...).</p><p>Controlam e supervisionam o processo, aumentando a</p><p>produtividade e a diminuição dos custos.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>A introdução de um controlador em um determinado sistema visa a modificação de sua dinâmica, manipulando a relação entrada/saída através da atuação sobre um ou mais dos seus parâmetros, com o objetivo de satisfazer certas especificações com relação a sua resposta. Os parâmetros do sistema que sofrem uma ação direta do controlador, são denominadas de variáveis manipuladas MV, enquanto que os parâmetros no qual se deseja obter as mudanças que satisfaçam as dadas especificações, denominam-se variáveis controladas PV.</p><p>Controladores</p><p>Controlador integral</p><p>Controlador derivativo</p><p>Controlador integral- derivativo</p><p>O controlador é um dispositivo físico eletrônico, elétrico, mecânico, pneumático, hidráulico ou combinações destes. No projeto real de um sistema de controle, o projetista deverá decidir pela utilização de um ou mais controladores. Esta escolha depende de vários fatores. O tipo de controlador mais comumente usado, mesmo em plantas das mais diversas naturezas, é o controlador eletrônico.</p><p>Os sinais não elétricos são, normalmente, transformados em sinais elétricos, através de transdutores, devido a simplicidade de transmissão, aumento da performance, aumento da confiabilidade e principalmente, facilidade de compensação. Geralmente controladores eletrônicos são circuitos simples, formados basicamente por amplificadores operacionais, sendo assim de fácil implementação prática e baixos custos.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>MODOS DE ACIONAMENTO</p><p>O sinal de saída do controlador depende de diferença entre a variável do processo (PV) e o valor desejado para aquele controle (SP ou SV). Assim, dependendo do resultado desta diferença, a saída pode aumentar ou diminuir. Baseado nisto um controlador pode ser designado a trabalhar de dois modos distintos chamados de “ação direta” e “ação indireta”</p><p>Controladores</p><p>Ação direta (normal)</p><p>Dizemos que um controlador está funcionando na ação direta quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um aumento no sinal de saída do mesmo. Quando a PV ↑ ,então, a saída do controle, SC ↑. (normal = PV - SP)</p><p>Ação indireta (reversa)</p><p>Dizemos que um controlador está funcionando na “ação reversa” quando um aumento na variável do processo em relação ao valor desejado, provoca um decréscimo no sinal de saída do mesmo. Quando a PV ↑, então, a saída do controle, SC ↓. (reversa = SP - PV)</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>A forma de controlar os atuadores se divide em:</p><p>· Controle liga-desliga (on-off):</p><p>O controlador compara o sinal de entrada com a realimentação, e se a saída (MV) supera a entrada (PV), desliga o atuador, se a realimentação for menor, liga o atuador. Basicamente todo controlador do tipo ON-OFF apresenta as seguintes características:</p><p>a) A correção independe da intensidade do desvio 	b) O ganho é infinito</p><p>c) Provoca oscilações no processo 		 d) Deixa sempre erro de off-set.</p><p>Controladores</p><p>off-set - desvio remanescente após o sistema ter estabilizado</p><p>Ex.: Nos fornos elétricos e geladeiras, o aquecedor ou compressor é controlado por um termostato, que é um controlador liga-desliga com par bimetálico (um dos metais se dilata mais que o outro, vergando-se e abrindo o contato). Ao se desligar, o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois e o bimetálico retorna à posição, fechando o contato e ligando o atuador. As vantagens deste controlador são a simplicidade e o baixo custo, as desvantagens são a contínua oscilação da saída entre os limites de atuação do controlador, histerese, não garantindo precisão e podendo desgastar controlador e atuador pelo excesso de partidas.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Ações Básicas de Controle</p><p>Outra aplicação é o controle de uma válvula solenoide por uma boia de nível. A saída do controlador só assume um de dois valores possíveis, isto é, a válvula de controle só pode estar ou totalmente fechada (0%) ou totalmente aberta (100%). Não há posição intermediária e não há meio termo, por isso esta ação de controle é chamada de controle radical. Causa uma oscilação constante da PV em torno do ponto de ajuste, enquanto a carga do processo for constante.</p><p>Atuador</p><p>Válvula solenoide</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>· Controle proporcional (P) :</p><p>A saída é proporcional ao sinal de erro (diferença entre entrada e realimentação), de modo que o atuador opera continuamente, com potência variável. O controlador é simplesmente um amplificador. Acelera a resposta de um processo controlado; produz off-set. Este sistema é ainda simples e de baixo custo, tendo uma precisão boa, mas nem sempre é rápido, e pode se tornar instável, se o ganho for muito alto. Instabilidade é a situação em que o controlador reage muito rápido, e a saída passa do valor na entrada sem que haja a reversão da tendência, o que pode levar à saturação do amplificador ou à oscilação contínua em torno do valor na entrada (geração de onda senoidal na saída, sem entrada).</p><p>Controladores</p><p>Ex: Muitos dos sistemas de controle de velocidade de motores são proporcionais, inclusive o controle de automóveis por um motorista.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Controladores</p><p>Ganho: kP</p><p>NOÇÕES DE</p><p>corretiva.</p><p>Ação PID: Esta ação resulta da combinação das três ações – modo de controle mais completo.</p><p>Controladores ON-OFF;</p><p>É o mais comum dos controladores e o mais utilizado por ser mais barato. Utilizado quando o processo permite uma oscilação contínua da variável controlada em torno do setpoint.</p><p>ganho</p><p>estabilidade</p><p>compensação</p><p>São as próprias características da instalação a controlar que determinam o tipo e o número das funções de controle, o que quer dizer que cada caso deverá ser cuidadosamente estudado pelos especialistas de controle e pelo construtor do processo.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Etapas do Projeto de um Sistema de Controle</p><p>Dada uma planta, deve-se primeiro escolher sensores e atuadores apropriados. Devem-se obter modelos matemáticos da planta, dos atuadores e dos sensores. Então, usando o modelo matemático obtido, projeta-se um controlador tal que o sistema em malha fechada satisfaça as especificações dadas.</p><p>O controlador projetado é a solução para a versão matemática do problema de projeto. Neste estágio, a teoria de controle ótimo é muito útil porque fornece o limite superior de desempenho do sistema para um dado índice de desempenho.</p><p>Depois do “projeto matemático” ter sido concluído, o engenheiro de controle simula o modelo em um computador para testar o comportamento do sistema resultante em resposta a vários sinais e perturbações.</p><p>Usualmente, a configuração inicial do sistema não é satisfatória.</p><p>Então o sistema deve ser reprojetado e a análise correspondente concluída.</p><p>NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO</p><p>Etapas do Projeto de um Sistema de Controle</p><p>Este processo de projeto e análise é repetido até que um sistema satisfatório seja obtido. Então, pode-se concluir o sistema físico do protótipo.</p><p>Este processo de construção de um protótipo é o inverso daquele de modelamento. O protótipo é um sistema físico que representa o modelo matemático com razoável precisão.</p><p>Uma vez que o protótipo tenha sido construído, o engenheiro o testa para ver se ele é ou não satisfatório. Se for, o projeto está concluído. Se não, o protótipo deve ser modificado e testado novamente.</p><p>Este processo continua até que o protótipo seja completamente satisfatório.</p><p>image2.png</p><p>image3.png</p><p>image4.png</p><p>image5.png</p><p>image6.png</p><p>image7.png</p><p>image8.png</p><p>image9.emf</p><p>image10.png</p><p>image11.png</p><p>image12.png</p><p>image13.emf</p><p>image14.png</p><p>image15.emf</p><p>image16.png</p><p>image17.jpeg</p><p>image18.jpg</p><p>image19.jpg</p><p>image20.jpeg</p><p>image21.jpeg</p><p>image22.jpeg</p><p>image23.png</p><p>image24.png</p><p>image25.png</p><p>image26.png</p><p>image27.emf</p><p>image28.emf</p><p>image29.emf</p><p>image30.png</p><p>image31.emf</p><p>image32.png</p><p>image33.emf</p><p>image34.png</p><p>image35.emf</p><p>image36.png</p><p>image37.png</p><p>image38.emf</p><p>image39.png</p><p>image40.emf</p><p>image41.jpg</p><p>image42.emf</p><p>image43.png</p><p>image44.emf</p><p>image45.jpeg</p><p>image46.png</p><p>image47.emf</p><p>image48.emf</p><p>image49.png</p><p>image50.emf</p><p>image51.png</p><p>image52.jpeg</p><p>image53.emf</p><p>image54.emf</p><p>image55.emf</p><p>image56.emf</p><p>image57.png</p><p>image58.png</p><p>image59.png</p><p>image60.emf</p><p>image61.jpeg</p><p>image62.png</p><p>image63.emf</p><p>image64.emf</p><p>image65.png</p><p>image66.emf</p><p>image67.emf</p><p>image68.emf</p>corretiva. 
Ação PID: Esta ação resulta da combinação das três ações – modo de controle mais completo. 
Controladores ON-OFF;
É o mais comum dos controladores e o mais utilizado por ser mais barato. Utilizado quando o processo permite uma oscilação contínua da variável controlada em torno do setpoint.
ganho
estabilidade
compensação
São as próprias características da instalação a controlar que determinam o tipo e o número das funções de controle, o que quer dizer que cada caso deverá ser cuidadosamente estudado pelos especialistas de controle e pelo construtor do processo.
NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO
Etapas do Projeto de um Sistema de Controle
Dada uma planta, deve-se primeiro escolher sensores e atuadores apropriados. Devem-se obter modelos matemáticos da planta, dos atuadores e dos sensores. Então, usando o modelo matemático obtido, projeta-se um controlador tal que o sistema em malha fechada satisfaça as especificações dadas. 
O controlador projetado é a solução para a versão matemática do problema de projeto. Neste estágio, a teoria de controle ótimo é muito útil porque fornece o limite superior de desempenho do sistema para um dado índice de desempenho. 
Depois do “projeto matemático” ter sido concluído, o engenheiro de controle simula o modelo em um computador para testar o comportamento do sistema resultante em resposta a vários sinais e perturbações. 
Usualmente, a configuração inicial do sistema não é satisfatória. 
Então o sistema deve ser reprojetado e a análise correspondente concluída. 
NOÇÕES DE CONTROLE DE PROCESSO
Etapas do Projeto de um Sistema de Controle
Este processo de projeto e análise é repetido até que um sistema satisfatório seja obtido. Então, pode-se concluir o sistema físico do protótipo. 
Este processo de construção de um protótipo é o inverso daquele de modelamento. O protótipo é um sistema físico que representa o modelo matemático com razoável precisão. 
Uma vez que o protótipo tenha sido construído, o engenheiro o testa para ver se ele é ou não satisfatório. Se for, o projeto está concluído. Se não, o protótipo deve ser modificado e testado novamente. 
Este processo continua até que o protótipo seja completamente satisfatório.
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