Mecatronica Atual Tipos de Malha de Controle Anderson Beltrame

Prévia do material em texto

Tipos de Malha de Controle de Processos Industriais 
 
Sempre que surgir uma oscilação no sistema, o controlador será capaz de atuar sobre o erro entre o setpoint e o 
valor da variável controlada e eliminá-lo. Abaixo temos uma malha de controle clássica, onde apenas um 
controlador interage no processo. 
 
Anderson Beltrame 
 
O conceito de realimentação (feedback) sugere que uma simples malha de controle fechada 
utilizando um controlador PID seja suficiente para manter o valor de uma variável controlada 
dentro de limites pré-ajustados, haja vista que ela é projetada especificamente para atender 
um determinado tipo de processo. Desta forma, sempre que surgir uma oscilação no sistema, 
o controlador será capaz de atuar sobre o erro entre o setpoint e o valor da variável controlada 
e eliminá-lo. Abaixo temos uma malha de controle clássica, onde apenas um controlador 
interage no processo. 
 
Na figura 1, o controlador basicamente mede a saída do processo (neste caso, a temperatura), 
compara com o valor desejado (setpoint), encontra o erro, e calcula uma saída de controle 
para modificar a posição da válvula de controle até que o erro seja eliminado ou permaneça 
dentro de limites considerados como nulos. 
 
 
F.1 - Malha de controle com um controlador 
 
Infelizmente, na prática, não é bem assim que as coisas funcionam. Existem limites. As 
válvulas de controle se saturam. É impossível abrir uma válvula mais que 100%. Inclusive, 
há casos onde a própria dinâmica do processo faz com que variações muito bruscas ocorram, 
seja por alteração de carga, ou mesmo por modificação no valor do setpoint. E por vezes, tal 
distúrbio acontece em tamanha magnitude, ou dura tanto, que um único controlador 
convencional PID não é capaz de atuar a tempo, e o “controle” é então perdido. 
 
Para contornar este tipo de problema, algumas estratégias de controle podem ser utilizadas. 
Uma delas consiste em associar controladores PID de maneira tal, que de acordo com a sua 
configuração, conseguem solucionar este tipo de problema. Dentre elas, destacamos: 
Controle em Cascata, Controle de Relação (ou Razão), Split-range e Feedforward. 
 
Controle em Cascata 
 
O controle em cascata deve ser implementado quando a malha de controle simples já não 
responde satisfatoriamente, principalmente em processos de grande inércia e quando o 
mesmo possui uma contínua perturbação na variável manipulada. Normalmente, aplica-se o 
controle em cascata, quando os efeitos dos distúrbios da variável manipulada afetam a 
variável controlada. O controle em cascata emprega pelo menos duas variáveis controladas 
para atuar sobre uma única variável manipulada. 
 
Funcionamento 
 
A figura 2 representa um processo de controle de temperatura em um trocador de calor. 
Analisando-se os resultados obtidos pelo controle em malha fechada composto por um único 
controlador PID, é possível identificar que durante uma variação na pressão Pe, ou seja, na 
pressão do óleo combustível utilizado para alimentar o sistema de queima do forno, haverá 
conseqüentemente uma alteração na vazão Qs (variável manipulada) que, por sua vez, 
provocará uma variação acentuada na temperatura Ts (variável controlada). 
 
 
 
F.2 – Malha de controle de um forno 
 
 
Isto ocorre porque a própria dinâmica do processo impõe um determinado tempo até que o 
controlador possa perceber a alteração do valor de Ts, e agir atuando na válvula TCV1 para 
modificar a vazão de entrada de óleo. E quando este o faz, o valor de Pe já modificou-se 
novamente e o sistema não consegue evitar tais oscilações indesejáveis na variável 
controlada. 
 
Na figura 3 são mostrados os resultados obtidos para a mesma perturbação, porém já com a 
estratégia de controle em cascata implementada. 
 
 
F.3 – Malha de controle de um forno com cascata 
 
Observe que, agora, a nova malha de controle possui um controlador de vazão exclusivo para 
manter a vazão de óleo combustível independentemente das variações de pressão encontradas 
em sua tubulação. Quem define o valor de vazão é o controlador de Temperatura (TIC), e 
uma vez ajustado este valor, que é em função do setpoint e/ou da demanda de fluido a ser 
aquecido, “qualquer” variação da pressão Pe sensibilizará o controlador de vazão (FIC) 
através da sua medição (por FE) que, por sua vez, irá agir alterando a abertura da válvula 
TCV para que o valor de vazão Qc determinado pelo TIC seja constante. 
 
 
Desta forma, mantém-se o valor da vazão de óleo combustível dependente somente do sinal 
de controle enviado pelo controlador indicador de temperatura (TIC). Conseqüentemente 
nota-se que a temperatura Ts tem pouca variação, pois sempre que houver uma oscilação de 
pressão em Pe não será mais preciso esperar o controlador de temperatura perceber a 
alteração do valor de Ts, para daí então agir sobre a TCV. Mas sim, o controlador de vazão 
(FIC) é que se responsabilizará por manter a vazão constante “independente” do valor da 
pressão Pe. Neste contexto, podemos definir que em uma malha de controle do tipo cascata 
existem no mínimo dois controladores: o controlador mestre, neste caso o TIC, e o 
controlador escravo, que neste exemplo é o FIC. 
 
Exemplos de malha em cascata 
 
A figura 4 exibe uma malha de controle de temperatura em cascata, projetada com uma 
malha escrava regulando a vazão de vapor, e uma malha mestre regulando a temperatura de 
saída. Já a figura 5 mostra a malha de controle de nível em cascata, projetada com uma 
malha escrava regulando a vazão de fluido de entrada, e uma malha mestre regulando o nível. 
 
 
F.4 - Controle em cascata de um trocador de calor 
 
 
F.5 – Controle em cascata de um tanque 
 
Controle de Relação 
 
Neste tipo de controle, o valor do setpoint de uma das variáveis depende diretamente do valor 
de uma segunda variável de processo, normalmente denominada como variável piloto. 
Basicamente, este controle serve para manter uma determinada proporção entre dois ou mais 
produtos. A figura 6 exemplifica isso trazendo uma aplicação onde se deseja obter um 
refresco de fruta a partir da vazão de concentrado de suco (Q1), e de uma determinada vazão 
de água (Qa). 
 
 
F.6 - Fabricação de refresco de fruta 
 
A relação k depende da fórmula de fabricação, a qual determina o sabor característico (que 
obviamente deve ser sempre o mesmo) do produto final do processo. Neste caso, refresco de 
fruta. Fica, portanto, evidente que independentemente da variação da vazão do concentrado 
de suco, o sistema deve ser capaz de ajustar o valor da vazão da água, mantendo assim a 
relação entre a água e o concentrado de suco. Daí o nome: controle de relação. Sua malha 
mais completa é apresentada na figura 7. 
 
 
F.7 - Controle de relação 
 
Funcionamento 
 
Através de um elemento de medição de vazão (FE2), o sistema mede o valor da variável 
piloto, neste caso o concentrado de suco, e envia o sinal para FY. Neste, temos a 
multiplicação do fator de proporcionalidade da mistura (k) pelo valor de vazão de 
concentrado de suco. A saída deste bloco segue então diretamente para o controlador de 
vazão de água (FIC) que, por sua vez, tem como setpoint o sinal vindo de FY. 
 
Desta forma, se o concentrado de suco sofrer alguma alteração no valor de vazão, teremos 
também uma alteração (de forma proporcional) no valor do setpoint do controlador de vazão 
de água (FIC), que corrigirá rapidamente a quantidade de água que esta sendo acrescentada 
na mistura. E como resultado final, a razão (k) de água + concentrado de suco permanecerá 
constante. 
 
Controle Feedforward 
 
O controle Feedfoward, também é conhecido como controle por antecipação. Diferentemente 
do controle convencional (feedback), que espera a dinâmica do processo ocorrer para daí 
então medir o resultado na saída do processo, o controlefeedforward monitora possíveis 
variações já na entrada do produto (fluido) da variável controlada e as transmite para o 
controlador da malha fechada atuar “antecipadamente” sobre a variável manipulada. 
Na figura 8 pode-se observar claramente de que forma isso ocorre. 
 
 
F.8 - Controle feedforward 
 
 
O objetivo deste processo é aquecer e manter a temperatura (Ts) dentro de um valor 
previamente ajustado (setpoint). Porém, para manter o equilíbrio do sistema, sabemos que 
para diferentes valores de vazão de entrada (carga) do fluido a ser aquecido, temos diferentes 
posição de abertura da válvula de controle (TCV). 
 
Admitindo-se que o sistema esteja estável, no momento em que a carga aumentar, deveremos 
aumentar também a quantidade de combustível que servirá para aquecer o forno. Logo, se 
para realizar esta tarefa, optarmos por uma malha de controle simples, com apenas um 
controlador PID, assim que o aumento de carga ocorrer, o controlador somente irá modificar 
a posição da válvula de controle (FCV) depois que “sentir” uma diminuição no valor da 
temperatura Ts. E aí, dependendo da constante de tempo do sistema (tempo de resposta), o 
processo tenderá a oscilar tornando a temperatura Ts instável. 
 
No que se refere ao controle proposto na figura 8, tão logo aumente a carga, um sinal 
proporcional a este aumento é enviado à malha de controle através do transmissor de vazão 
(FT1), onde é somado ao sinal de saída do controlador de temperatura (TIC) através do 
somador FY2, que por sua vez se encarregará de antecipadamente adicionar mais 
combustível ao sistema. Desta forma, a malha de controle feedforward “antecipa” as 
variações medidas já na entrada da variável controlada, e impede ou minimiza as oscilações 
no valor de temperatura da variável controlada Ts. 
Outros exemplos de Controle Feedforward podem ser observados abaixo. Nas figuras 9 e 
10 são ilustrados controles de nível a dois, e a três elementos. 
 
 
F.9 - Controle a dois elementos 
 
 
 
F.10 - Controle a três elementos 
 
Controle Tipo Split-Range 
 
O controle Split-Range é uma montagem particular que utiliza no mínimo dois elementos 
finais de controle, comandados simultaneamente pelo mesmo sinal. Em linhas gerais, esta 
técnica é normalmente empregada em duas situações: 
 
1) Quando a rangeabilidade necessária para uma aplicação é maior que a rangeabilidade de 
um único elemento final de controle (figura 11). 
 
 
F.11 - Controle Split-Range I 
 
Quando uma válvula de controle sozinha não é capaz de controlar o valor de vazão necessária 
para o processo, podemos recorrer à técnica de “Split-Range”, traduzindo: “Range dividido”, 
onde, através de duas ou mais válvulas de controle, neste caso duas, a FCV-1A e FCV-1B, é 
possível contornar este problema. Para isso, basta ajustar o range de atuação (0 a 100% de 
abertura) de cada válvula para 50% do sinal de saída do controlador (FIC). Desta forma, de 4 
até 12 mA, ou seja, de 0 a 50% do sinal de controle (saída do FIC) a FCV-1A abre de 0 a 
100%; caso isto não seja suficiente, e por sua vez o erro ainda persistir, obviamente o sinal de 
saída do controlador (FIC) aumentará, neste caso, a FCV-1B começará a abrir acima de 12 
mA, e atingirá 100% de abertura com 20 mA. 2) Quando é necessário utilizar dois elementos 
finais de controle indiferente da situação (figura 11). 
 
No exemplo da figura 12, observamos um processo onde o objetivo é controlar a pressão no 
interior do tanque. Temos dois elementos finais de controle, a válvula FCV-1A (que é 
responsável pela admissão de gás) e a FCV-1B, que é responsável pela exaustão de gás. A 
lógica de controle consiste em regular o percentual de abertura das duas válvulas de forma 
que a pressão fique constante dentro do reservatório: abre-se a FCV-1A e fecha-se a FCV1-B 
para aumentar o valor da pressão, e fecha-se FCV-1A e abre-se a FCV-1B para diminuir. 
 
 
 
F.12 - Controle Split-Range II 
 
Para isso, utiliza-se uma malha de controle do tipo split-range (range dividido) onde o sinal 
de controle (saída do PIC) é o mesmo para os dois elementos finais de controle (FCV-1A e 
FCV-1B), porém cada conjunto (válvula + atuador) é configurado de maneira diferente. Ou 
seja, de acordo com o gráfico da figura 12, a FCV-1A fecha proporcionalmente em função do 
aumento do sinal de saída (mA) do PIC (controlador indicador de pressão). Já a FCV-1B abre 
cada vez mais em função do aumento do sinal de saída do PIC. Desta maneira, quando a 
pressão no interior do tanque assumir o mesmo valor do setpoint do controlador, ambas as 
válvulas estarão fechadas. Ou seja, a corrente de saída do controlador de pressão é 12 mA 
para um erro também zero entre o setpoint e a variável controlada (pressão). 
 
*Originalmente publicado na revista Mecatrônica Atual - Ano 4 - N°29 - Set/Out/2006