CONTROLE ADAPTATIVO 1EE

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CONTROLE ADAPTATIVO
Controle de processos
Professor: Manfredo
Equipe 3: 
André Luís
José Ricardo
Leandro Araújo
Nadja Juliana
Renato Adalberto
Rodrigo Ferreira
Rodrigo Gonçalves 
 
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Índice
 1 - Introdução e conceitos básicos da teoria de controle adaptativo.  2 - Esquemas de controle adaptativo.  3 - Sistemas adaptativos tipo "Modelo de Referência".  4 - Sistemas adaptativos tipo "Programação de Ganho".  5 - Vantagens e desvantagens sobre os esquemas de controle tradicionais.  6 - Exemplos de aplicações práticas.  7 - Tendências futuras. 
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Introdução e conceitos básicos da teoria de controle adaptativo
 Adaptar significa mudar um comportamento para se ajustar às novas circunstâncias. 
 Um sistema adaptativo é qualquer sistema que tem sido projetado com um ponto de vista adaptativo. 
 
 Controle Adaptativo é a denominação atribuída à ação de controle de sistemas capazes de modificar seus próprios parâmetros em resposta a alterações verificadas em algum módulo que esteja sendo monitorado. Neste sentido, adaptar-se significa mudar o comportamento em resposta a novas circunstâncias de operação, com o objetivo de manter um nível esperado de desempenho. 
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Introdução e conceitos básicos da teoria de controle adaptativo
 Controle adaptativo é uma extensão natural de sistemas realimentados clássicos (os quais já se ajustam a novas circunstâncias), buscando projetar controladores dotados de maior grau de autonomia.
 Teoria de controle adaptativo foi muito ativa nos anos 50, pois a motivação era desenvolver sistemas de controle de vôo para aeronaves supersônicas, já que ganhos constantes não eram suficientes para sustentar a operação na região supersônica.
 Muitas das principais idéias de controle adaptativo foram concebidas nesta época, mas não havia hardware para implementações confiáveis, já que se empregava computadores analógicos dedicados.
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Introdução e conceitos básicos da teoria de controle adaptativo
 Sistemas de controle adaptativo são caracterizados pela existência de duas malhas de realimentação:
1. Malha de controle convencional;
2. Malha de adaptação, responsável por monitorar o desempenho e ajustar os parâmetros do controlador de acordo com as condições de operação em vigor.
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Esquemas de controle adaptativo 
 Escalonamento de ganhos (gain scheduling –GS) 
 Controle adaptativo por Modelo de referência
 Reguladores auto-ajustáveis
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Esquemas de controle adaptativo 
Escalonamento de ganhos 
 Utilizado para acomodar mudanças no ganho do processo
 Compensar as variações no processo mudando os parâmetros do controlador em função das condições de operação
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Esquemas de controle adaptativo 
Escalonamento de ganhos 
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Esquemas de controle adaptativo 
Escalonamento de ganhos 
Desvantagem: Compensação em malha aberta
 Vantagem: mudança rápida dos parâmetros 
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Esquemas de controle adaptativo 
Controle adaptativo por modelo de referência- MRAS 
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Esquemas de controle adaptativo 
Controle adaptativo por modelo de referência- MRAS 
 O desempenho desejado para a planta é especificado por um MODELO DE REFERÊNCIA
Os parâmetros do controlador são ajustados baseados na diferença entre a SAÍDA DA PLANTA e a SAÍDA DO MODELO DE REFERÊNCIA
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Esquemas de controle adaptativo 
Reguladores auto-ajustáveis (self-tunig regulators-STR) 
 Assume que o processo tem parâmetros constantes, mas desconhecidos;
 A idéia é separar a estimação dos parâmetros do projeto do controlador;
 Os parâmetros desconhecidos são estimados em tempo real;
 Estes parâmetros estimados são tratados como se fossem os verdadeiros (princípio da equivalência à certeza); 
 O bloco PROJETO representa uma solução “on-line” do problema de controle para um sistema com parâmetros conhecidos;
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Esquemas de controle adaptativo 
Reguladores auto-ajustáveis (self-tunig regulators-STR) 
As estimativas dos parâmetros do processo são atualizadas e os parâmetros do controlador são obtidos da solução de um problema de projeto usando os parâmetros estimados. 
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Esquemas de controle adaptativo 
Reguladores auto-ajustáveis (self-tunig regulators-STR) 
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Sistemas adaptativos tipo "Modelo de Referência"
Definição:
O Sistema Adaptativo Modelo-Referência (MRAS) foi originalmente proposto para resolver um problema em que as especificações de desempenho são dadas em termos de um modelo de referência. Este modelo diz como a saída do processo deveria idealmente responder ao sinal de comando. 
Existem vários casos em que o processo ou as características da perturbação estão mudando continuamente. Uma contínua adaptação dos parâmetros do controlador é, então, necessária e daí o MRAS é uma das abordagens
mais comuns para o ajustamento de parâmetros.
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 Características do MRAS:
Neste esquema, existe um modelo que serve como referência. O controlador deve trabalhar de forma que o sistema em malha fechada, tenha características de comportamento semelhante;
 Os parâmetros do controlador são ajustados por processos iterativos, usando uma taxa de adaptação;
 As modificações nos parâmetros do controlador são baseadas no erro que ocorre na saída do sistema e na saída do modelo;
 A estabilidade deste tipo de sistema de controle depende do sinal de entrada e da taxa de adaptação. Em muitos casos, os sistema são estáveis para taxas de adaptação suficientemente pequena;
 A taxa de adaptação é um fator importante, pois como são utilizados controladores para implementar o sistema de controle, a discretização deste processo deve ter uma boa aproximação para o projeto contínuo;
Sistemas adaptativos tipo "Modelo de Referência"
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Sistemas adaptativos tipo "Modelo de Referência"
Princípio de funcionamento:
O sistema tem uma malha de realimentação comum (malha interna), composta pelo
processo e o controlador, e uma outra malha de realimentação que modifica os parâmetros do controlador (malha externa). Os parâmetros são modificados com base na realimentação a partir do erro, que é a diferença entre a saída do sistema e a saída do modelo de referência. 
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Sistemas adaptativos tipo "Modelo de Referência"
e = y – ym -> erro do modelo 
Ѳ -> parâmetro do controlador
de/d Ѳ -> sensitividade derivativa do erro em relação a Ѳ
y -> taxa de adaptação (ganho adaptativo) 
A regra MIT é uma abordagem que possibilita o ajustamento dos parâmetros tal que
a função de perda dada seja minimizada.
Regra MIT:
e2 -> erro quadrático
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Sistemas adaptativos tipo "Programação de Ganho”
Idéia: Compensar as variações no processo mudando os parâmetros do controlador em função das condições de operação. 
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Sistemas adaptativos tipo "Programação de Ganho”
Desvantagem: Compensação em malha aberta.
Vantagem: Mudança rápida dos parâmetros do controlador, pois não há necessidade de estimação dos mesmos.
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Vantagens e desvantagens sobre os esquemas de controle tradicionais  
Responde as variações do ambiente e se ajusta automaticamente à nova condição. 
Controladores adaptativos geralmente apresentam melhor eficiência se comparados aos controladores de ganho constante. Eles têm a tendência de eliminar erros mais rapidamente e, consequentemente, manter a saída próxima ao desejado por mais tempo.
O sistema apresenta alto grau de não-linearidade ou variações frequentes no ambiente.
No caso variação frequente do ambiente, o controlador convencional deve ser resintonizado, o que acarreta a presença frequente de um especialista para ajustes do controlador
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Vantagens e desvantagens sobre os esquemas de controle tradicionais  
Os controladores adaptativos são mais complexos que os tradicionais PID, caso ocorra uma falha num controlador adaptativo, só algum especialista pode resolver o problema.
Na ocorrência de uma falha num sistema de controle, mesmo que a falha
não seja do controlador adaptativo, ele será sempre o primeiro suspeito.
A técnica "gain scheduling" tem a desvantagem de que para cada faixa de operação deverá ser realizado um projeto independente.
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Aplicações
Existem muitas aplicações industriais/comerciais de controle adaptativo no campo de controle de processos. As aplicações apresentam diretrizes de como o controle adaptativo pode ser utilizado na prática.
Ex: controle de motores, colunas de destilação, pressão sanguínea, aquecimento e ventilação, etc. 
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 Exemplos de controles adaptativos industriais
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Exemplos
Descrição: Regulador de processo elaborado para resolver tarefas complexas de regulação em um ou dois canais, com funções adicionais de cálculo na área de entrada.
Fabricante: SIEMENS
Aplicações: medição de pressão, medição de fluxo, medição de nível.
Controlador: SIPART DR 22
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Exemplos
Descrição: iControl é usado para controlar sistemas de bioreatores e tem a capacidade para controlar sistemas de limpeza para estes bioreatores. Utiliza o controle padrão de plataformas industriais como Siemens e Allen Bradley.
Fabricante: AppliKon Biotechnology
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Exemplos
Descrição: O Controle Adaptativo de carga do ESP® identifica as alterações na massa e no centro de gravidade ao longo do eixo longitudinal do veículo e adapta as intervenções dos sistemas de segurança ABS, TCS e ESP® à carga do veículo. Deste modo, ele otimiza a eficiência da frenagem, da tração e da estabilidade e reduz o risco de capotamento através de um sistema de mitigação, reduzindo o desgaste das pastilhas dos freios otimizando a distribuição das forças de frenagem.
Fabricante: BOSCH
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Exemplos
Descrição: A função do Controle de arrancada em subidas do ESP® é facilitar a arrancada num plano inclinado ao manter os freios acionados durante cerca de dois segundos após o motorista ter soltado o pedal do freio. O motorista dispõe de tempo suficiente para mudar do pedal do freio para o acelerador sem utilizar o freio de mão. O veículo arranca confortavelmente e sem descer.
Fabricante: BOSCH
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Inovações
	O Controle Adaptativo de Cruzeiro utiliza sensores para monitorar continuamente a distância de outros veículos, ajustando a velocidade para garantir que o veículo não se aproxime demasiadamente do veículo à frente. O condutor aciona o controle de cruzeiro definindo a velocidade máxima desejada e selecionando a distância a ser mantida em relação aos veículos à frente. 
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Inovações
É uma tecnologia de controle adaptativo baseado na utilização de redes neurais, capaz de controlar processos complexos não lineares com variação de ganho e tempo morto.
Controle Adaptativo "Model Free" (MFA)
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Inovações
Controle Adaptativo Model-Free (MFA) na Indústria de Alimentos
Empresa: Del Monte Foods, Woodland, CA (EUA), em matéria da revista Food Engineering.
Problema: A planta opera continuamente, com uma caravana de caminhões descarregando tomates para as linhas de processamento a quente. O ritmo constante de produção é crítico para a otimização econômica durante a curta estação de processamento e o maior problema é manter a temperatura ótima durante o processo.
A vazão é irregular devido ao ritmo de entrega dos caminhões, causando variações da temperatura. As variáveis importantes são a vazão de tomate, pressões do vapor e do condensado, temperatura da carga, mas a variável mais significativa é a vazão que pode variar de zero a 50 t/h em minutos.O controle PID manipulando a válvula de vapor era incapaz de um ajuste ótimo da temperatura,  compensando a vazão intermitente de carga.
Solução: Foi instalado um controlador CyboCon com tecnologia Model-Free Adaptive (MFA) para controlar a temperatura.O Cybocon foi integrado com o sistema supervisório FIX comunicando com PLCs Allen-Bradlley. 
A instalação do Cybocon consumiu apenas algumas horas. Os PID foram mantidos, oferecendo ao operador a chance de optar entre os dois.
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Inovações
Resultados: Desde sua instalação os operadores têm usado o CyboCon 100 por cento do tempo.
A partir de então a variação típica da temperatura tem sido menor que ± 1°C. Durante toda a estação de processamento não ocorreu uma falha sequer em nenhum dos nove CyboCon instalados. 
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Inovações
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FIM