Slide 1 - Introducao - Prof. Julio

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I d ãIntrodução	ao	
Controle	de	
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Processos
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Prof. Julio Elias Normey Rico
Departamento de Automação e Sistemas UFSC
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Departamento de Automação e Sistemas ‐ UFSC
1
Objetivos da disciplinaObjetivos	da	disciplina
• Apresentar de forma introdutória alguns problemas de 
controle normalmente encontrados na indústria de processos 
e suas soluções.e suas soluções. 
• Estudar aspectos dos próprios processos produtivos assim 
como questões relacionadas com os sistemas de medição, 
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atuação e controle.
• Analisar diversos casos práticos: da indústria do açúcar‐etanol, 
do petróleo e da energia solar veículos etc ç ã
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do petróleo e da energia solar, veículos, etc.
• Discutir estratégias básicas e avançadas de controle de forma 
intuitiva, para introduzir os principais conceitos da teoria de 
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, p p p
controle.
• Vincular todos os conceitos com as disciplinas básicas do  2
curso. Motivação!
OrganizaçãoOrganização
• Aulas expositivasAulas expositivas
• Aulas experimentais ou com simuladores
• Exercícios
• Trabalhos individuais ou em grupos
• Prova
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• Equipe
• Professor
M it
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• Monitores
• Estágio docente PGEAS
3
Introdução ao Controle deIntrodução	ao	Controle	de	
ProcessosProcessos
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Tema 1: Conceitos básicos
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Tema	1:	Conceitos	básicos
Prof. Julio Elias Normey Rico
Departamento de Automação e Sistemas UFSC
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Departamento de Automação e Sistemas ‐ UFSC
4
ProcessosProcessos
Processo = sistema que transforma propriedades físicas ou químicas de 
material o produtomaterial o produto.
Aumento da temperatura 
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da água 
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CALOR (fogo)
5
E l Si d i d áExemplo: Sistema de aquecimento de água
ProcessosProcessos
Processo ou Planta = arranjo de unidades que realizam transformações sobre 
matérias primas para transforma las em produtos geralmente mudando asmatérias primas para transforma‐las em produtos, geralmente mudando as 
propriedades físicas ou químicas. Utilizam uma quantidade de energia 
disponível e sempre buscam máxima economia.
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E l Si d d ã d lExemplo: Sistema de produção de etanol 
açúcar e energia elétrica
ProcessosProcessos
Requisitos de funcionamento:Requisitos de funcionamento:
• Segurança
• Especificações de produtos
• Regulamentação ambiental
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Regulamentação ambiental
• Restrições de operação
• Buscar maior beneficio econômico
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Porque controle de processos?
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Para atingir os objetivos expostos precisamos monitorar e intervir no processo
Isto pode ser feito em vários níveis buscando geralmente:
7
• Suprimir o efeito de perturbações externas
• Manter a estabilidade do processo
O i i d h• Otimizar o desempenho 
Estrutura	geral	do	controle
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Pi â id d A ã d SiPirâmide da Automação de Sistemas
Exemplo:	Usina
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Exemplo:	VA
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Controle de processosControle	de	processos
• Sistemas de controle são fundamentais para o correto 
funcionamento dos processos industriais e outros.
• Os processos apresentam diversos desafios para o engenheiro• Os processos apresentam diversos desafios para o engenheiro 
de controle e automação: modelagem, controle, automação e 
otimização.
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• Entendimento do processo é fundamental para um projeto 
adequado da estrutura de instrumentação e controle.
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• Dominar os conceitos teóricos é o primeiro passo para o 
sucesso. O segundo é dominar a tecnologia.
• É muito importante usar sistemas simples (sempre que
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É muito importante usar sistemas simples (sempre que 
possível).
• O retorno econômico da implantação de uma solução de  11
controle é fundamental na prática.
Que problemas vamos estudar?Que	problemas	vamos	estudar?
Controle de plantas simples com controles locais
Ajuste de controle em exemplos concretos
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Analisar diversas estruturas de controle 
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Entender as estruturas básicas de controle 
Estudar problemas de otimização básicos
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Uso de cálculo e física
12
Uso de cálculo e física
Processos DescriçãoProcessos	‐ Descrição
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Atuador Processo Sensor
VC VP
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sDefinição de variáveis de interesse
VC iá l d l i l d Diagrama
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eVC = variável de controle ou manipulada
VP = variável de processo ou controlada
P = perturbações
Diagrama 
de Blocos
Sinais e 
Sistemas
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No exemplo do fogão:
VC = abertura da válvula que controla a vazão de gás no queimador.
VP= temperatura da água
Sistemas
13
VP= temperatura da água
P= temperatura ambiente
Atuador: botão que regula a abertura da válvulaAtuador: botão que regula a abertura da válvula
Sensor: visual
Umpouco de históriaUm	pouco	de	história
Relógio de água 
com regulador
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com regulador 
Flotante: 
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270 AC
Grego Ktesibios
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Caixa de água de hoje em dia
Umpouco de históriaUm	pouco	de	história
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Máquina de vapor e regulador: 
1769, James Watt
Ex: ProcessosEx:	Processos
VC VP
P
Atuador Processo Sensor
VC VP
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Um exemplo mecânico: controle de 
velocidade de um carro P ( t )
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2velocidade de um carro 
VC = posição do acelerador que controla a 
potência do motor.
P (vento)
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VP= Velocidade do carro
P= inclinação da pista,  velocidade do vento
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VC (acelerador)
VP
Ex: ProcessosEx:	Processos
VC
VP
P
Atuador Processo Sensor
VP
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Um exemplo discreto: controle de inventário 
em um armazém VC (pedidos)
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VC = encomendas para a fábrica
VP= quantidade de peças no dia 
P= vendas
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VP (peças no 
armazem)
P (vendas)
Ex: ProcessosEx:	Processos
VC
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Atuador Processo Sensor
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Um exemplo industrial: cadeira a gás 
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VC = abertura da válvula que controla a 
vazão de gás no queimador.
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VP= temperatura da água
P= vazão de água de entrada, temp. da 
água de entrada
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VP
VC
Operação
P
Operação
Análise de comportamento
Observar as variáveis VP, VC e P
•Comportamento dinâmico e estático
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Comportamento dinâmico e estático.
•Projeto do processo = equilibrios. 
•Controle =  manipular de forma diferente.
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OperaçãoOperação	
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Atuador Processo Sensor
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Temperatura
Vazão de entrada
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P2VP
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20
30 P2
P1
VP
20VC
0
0% 25% 50% 100%
Precisa 
C lControle
Abertura da válvula
Como controlarComo	controlar	
• Controle Manual
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C t l t áti
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ç• Controle automático
21
Estrutura do controleEstrutura	do	controle	
VP
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Atuador Processo SensorControle
VC VPVR
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Estrutura Realimentada 
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VCVR
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Atuador Processo SensorControle
VC
VPVR
22
Estrutura Pre‐alimentada
Tipo de controle e sintonia: Especificações ‐ Objetivos
Estrutura do controleEstrutura	do	controle	
Procedimento
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Abrimos rapidamente até uma certa 
vazão sem “medir” a temperatura.
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ANTECIPATIVO
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Regulamos lentamente a vazão 
“medindo” a temperatura.
23
REALIMENTADO
Especificações exemploEspecificações	‐ exemplo
Especificações (Objetivos)Especificações (Objetivos)
•Manter a temperatura da água em um valor fixo
l
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•Manter a temperatura numa faixa
•Fazer a temperatura variar de acordo com um perfil definido
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Fazer a temperatura variar de acordo com um perfil definido
•Eliminar em um dado tempo o efeito de alguma perturbação
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Os objetivos dependem de cada aplicação concreta
24
GeneralizandoGeneralizando
P ã MIMOProcessos são MIMO 
•Várias manipuladas
•Várias ontroladas o VPs (al mas medidas e o tras não)
l
e
 
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e
s
s
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s
•Várias controladas ou VPs (algumas medidas e outras não)
•Várias perturbações
Os objeti os dependem de cada aplicação concreta
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eOs objetivos dependem de cada aplicação concreta 
mas geralmente combinam estabilidade, rejeição de 
perturbações e aspectos econômicos
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çperturbações e aspectos econômicos
Importante:
• Escolher adequadamente manipuladas
25
• Escolher adequadamente manipuladas
• Escolher as medidas ou estimações
• Escolher a configuração de controle
• Projeto de controle‐ ferramentas• Projeto de controle‐ ferramentas
ExemplosExemplos
CASO 1:
Usar controle para manter uma variável num valor desejado pese as 
perturbações. Na indústria de usa o termo regulatório.
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CASO 2:
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Estabilizar um sistema. Usar controle para ter estabilidade.
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CASO 3:
Otimização. Usar controle para ter uma operação ótima do ponto de 
26
vista econômico.
Regulatório simplesRegulatório	simples
Modelo estático da caldeira no ponto de operação
Ponto de operação:  
A2=50%     A3=35%      T=30 C
a3
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‐0.5C/%
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Variações medidas:
5 C/%
a2 dT
+
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çVariações medidas: 
para 1% de A2 tem 5 C
27
para 1% de A3 tem ‐0.5 C
Análise:  Controle Pre‐alimentado
Objetivo: manter a 
temperatura num valor 
desejado pese as
Controle realimentado
desejado pese as 
perturbações
Conceito de EstabilidadeConceito	de	Estabilidade
Estabilidade pode ser definida de forma intuitiva em controle de processos
Considere um processo operando num ponto de operação, ou seja assumimos 
que a VP está num  valor constante.
l
e
 
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e
 
e
s
s
o
s
Considere que se introduz uma perturbação no sistema durante um tempo finito, 
após o qual a perturbação não atua mais no sistema. A VP vai se modificar ao 
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elongo do tempo, devido ao efeito da perturbação.
Se após um tempo finito (em termos práticos) a VP volta ao ponto que se 
t d di t t t ESTÁVEL l
I
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o
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u
çencontrava, podemos dizer que apresenta um comportamento ESTÁVEL naquele 
ponto de operação. Na indústria também se usa o termo Auto‐regulável para este 
comportamento.
28
Se a variável VP se afasta indefinidamente do ponto de operação, então dizemos 
que o sistema tem um comportamento INSTÁVEL nesse ponto de operação.
Sistemas instáveis precisam operar com controle para estabilização.
Exemplo: Nível em tanqueExemplo:	Nível	em	tanque
Vi
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Estável
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H
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çVi
29Vo
Instável
Vo
Otimização econômicaOtimização	econômica
Estamos preocupados com definir os pontos de operaçãoEstamos preocupados com definir os pontos de operação 
econômica do processo.
Esta definição se faz de tempos em tempos pois se deseja
l
e
 
d
e
 
e
s
s
o
s
Esta definição se faz de tempos em tempos, poisse deseja 
que o sistema opere por longos períodos nesse ponto
l d l d l
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eOs controladores locais se encarregam de manter os valores 
especificados
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No exemplo da caldeira seria, por exemplo, que valor de Td
e de vazão de gás devemos usar para conseguir os objetivos 
a um menor custo?  
30
Max [ Va(m3) * Pa($/m3)  – Vg(m3) * Pg($/m3) ]
Va medida quando |T – Td| < e mxVa medida quando |T  Td| < e_mx
Ex:	Produção	
de	petróleo
• Pressão suficiente
• O poço produz naturalmente
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S ã d f S d
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Separação das fases ‐ Separador
• Controle do Separador
31
Pressão insuficiente 
• Precisa de elevação artificial
• Controle de vazões
Pesquisador Agustinho Plucenio
Extração	de	petróleo	por	
injeção	contínua	de	gás
• Se injeta gás pelo anular 
para dimin ir o peso da
l
e
 
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s
s
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s
para diminuir o peso da 
coluna
ç
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• Válvulas de gás‐lift para 
partida e operação
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32
• Válvula de injeção e gás 
para controle
Pesquisador Agustinho Plucenio
Análise de produção gastoAnálise	de	produção‐gasto
• Maior vazão de gás 
a
ç
ã
o
 
2
0
1
4
não implica em 
maior produção
B óti
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2• Buscar ótimo 
econômico
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• Importante
• Separação do gás
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33
• Compressão do gás
• Disponibilidade
Pesquisador Agustinho Plucenio
Controle Otimizador
Dados de poços e compressor
Controle
FC1
Controle master
Vazão desejada óleo
Vazão desejada gás
FC2
FC1
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FC2 Vazão de óleo Qo
Controle escravo
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Vazão de gás Qi
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34
ConclusõesConclusões
• Entender o funcionamento do processo é fundamental. 
• Definir claramente os objetivos.
E t d i t di í i d t l• Entender que existem diversos níveis de controle.
• Escolher adequadamente variáveis de controle. 
• Escolher a estrutura de controle mais adequada l e
 
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• Escolher a estrutura de controle mais adequada.
• Mostrar os ganhos econômicos da solução.
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PRÓXIMAS AULAS = formalização de conceitos de sinais e 
sistemas
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Modelos, equações...... 35