Controle e Instrumentação de Processos

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EQE 487: Controle e instrumentação de processos 
Universidade Federal do Rio de Janeiro Escola de Química 
Bruno Capron Departamento de engenharia química bruno@eq.ufrj.br Sala E-211 Gabinete G 
Agosto de 2016 
Datas importantes 
 7/9 : Independência do Brasil – não haverá aula 
 21/9 e 23/9 : SEQ – não haverá aula 
 12/10 : Nossa Senhora Aparecida – não haverá aula 
 24/10 : Prova 1 
 26/10 : Apresentação do projeto 
 2/11: Dia de finados – não haverá aula 
 14/11: 2a antes Proclamação da República – não haverá aula 
 7/12 : Entrega Projeto 
 5/12 : Prova 2 
 12/12 : Prova final 
 19/12 : Segunda chamada 
 
Critérios para aprovação 
 
 1) 
 
 2) 
 
 3) Prova especial (data a definir) 
0.73
Projeto21
1  PPM
0.5212 
 fPMM
0.8espP
Controle de processos - motivação 
 A natureza dos processos industriais é dinâmica. Um processo está sujeito a variabilidade: 
 Alterações das entradas do processo 
 Alteração gradual no processo 
 Alterações bruscas no processo 
 
 
 
Controle de processos - objetivos 
 
 
 O controle de processos visa manter variáveis de processo (pressão, temperatura, concentração, ...) em valores desejados com os seguintes objetivos: 
 Segurança do pessoal 
 Proteção ambiental 
 Preservação do equipamento 
 Operação suave 
 Qualidade o produto 
 Produtividade 
 Monitoramento e otimização 
 
 
 
 
Controle manual vs. Controle automático 
 
 
 Um processo industrial típico contém centenas a milhares de variáveis de processo a controlar 
 Controle manual muito ineficiente 
 Controle automático: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diagrama de bloco do sistema de controle da temperatura no banho 
Terminologia 
 Variável Controlada (CV): variáveis mostrando o desempenho do processo ou a qualidade do produto final, que buscamos controlar 
 Set Point (SP): valor alvo que se deseja alcançar por um sistema de controle 
 Variável Manipulada (MV): variável ajustada dinamicamente para manter as CVs no seus set points (nível de referência) 
 Variável de distúrbio (DV): variável que pode causar a deviação de uma CV em relação ao set point. Não se pode ajustar estas variáveis. 
Terminologia 
 Controle regulador: situação em que se tenta compensar o efeito das perturbações na variável controlada. O set-point é mantido constante 
 Controle servo: siutação em que se tenta alcançar um set-point que varia em função do tempo 
Processos contínuos 
Processos não contínuos 
Estratégias de controle Exemplo ilustrativo: tanque de mistura 
 w1, w2 e w são vazões mássicas 
 x1, x2 e x são frações mássicas 
 Assume-se que: 
 w1 é constante 
 x2 é constante (A puro) 
 mistura perfeita no tanque 
 
 Objetivo de controle 
 Manter x no seu set point xsp apesar de variações de x1 ajustando w2 
 
 
 
Estratégias de controle Exemplo ilustrativo: tanque de mistura 
Design do tanque: qual o valor de w2 para atingir xsp? 
 Balanço de massa global (regime estacionário): 
 
 
 Balanço de massa de A (regime estacionário) 
 
 
 Para e , tem-se: 
 
 
 
xwxwxw  22110
www  210
112 1 wx
xxw
sp
sp
 Equação de design O que acontece se as condições de processo mudam? Ex: se x1 aumenta? 
Quais são as possíveis estratégias de controle? 
 Método 1: Medir x e ajustar w2 
 Se o valor de x está alto, deve-se reduzir w2 
 Controle automático possível: 
 
 
 Onde Kc é o ganho do controlador que será preciso sintonizar. 
 
 )()( 22 txxKwtw spc 
Controle por realimentação Feedback control 
Quais são as possíveis estratégias de controle? 
 Método 2: Medir x1 e ajustar w2 
 Se x1 é superior a ଵ, deve-se reduzir w2 
 Por exemplo, retomando: 
 
 
 
 Pode-se trocar ଵ e ଶ por x1(t) e w2(t) para obter a seguinte lei de controle: 
 
 
112 1 wx
xxw
sp
sp

112 1
)()( wx
txxtw
sp
sp 

Controle por antecipação Feedforward control 
Quais são as possíveis estratégias de controle? 
 Método 3: Combinar os métodos 1 e 2: medir x e x1, e ajustar w2 
 Se x1 é superior a ଵ, deve-se reduzir w2 
 Por exemplo, retomando: 
 
 
 
 Pode-se trocar ଵ e ଶ por x1(t) e w2(t) para obter a seguinte lei de controle: 
 
 
112 1 wx
xxw
sp
sp

112 1
)()( wx
txxtw
sp
sp 

Classificação das estratégias de controle 
Método Variável medida Variável manipulada Estratégia 
1 x w2 FB 
2 x1 w2 FF 
3 x e x1 W2 FB e FF 
Feedback Control 
 Característica: 
 Medição da variável que desejamos controlar 
 Vantagens 
 A ação de controle é tomada independentemente da origem da perturbação 
 Reduz a sensibilidade da CV a mudanças de processo e distúrbios 
 Desvantagens 
 A ação de controle é tomada quando o distúrbio já afetou o processo. 
Feedforward control 
 Característica: 
 Medir uma variável de distúrbio 
 Vantagens 
 A ação de controle é tomada antes que o distúrbio afete o processo 
 Desvantagens 
 Precisa-se medir o distúrbio 
 Precisa-se de um modelo 
 Distúrbios não medidos não são levados em conta 
Closed-loop Artificial Pancreas 
controller sensor pump patient 
glucose setpoint 
u 
y r 
measured glucose 
26 
Tanque de aquecimento 
Como controlar a temperatura da saída? 
Cha
pte
r 1 
28 
Block diagram for temperature feedback control system 
29 
Cha
pte
r 1 
Caso multivariável 
 
1. Measurement and Actuation
2. Safety, Environment and Equipment Protection
3a. Regulatory Control
4. Real-Time Optimization
5. Planning and Scheduling
Process
3b. Multivariable and Constraint Control
(days-months )
(< 1 second )
(< 1 second )
(seconds-minutes )
(minutes-hours )
(hours-days )
Hierarquia das atividades de controle de processos 
 
Cha
pte
r 1 
32 
Cha
pte
r 1 
33 
Projeto de controle para sistemas mais complexos 
 Abordagem tradicional: o projeto de controle é iniciado quando o projeto do processo já está bem avançado. 
 O projeto do processo determina a dinâmica e a operabilidade do processo 
 Em situações extremas, o processo poderia se tornar não controlável 
 Abordagem baseada em modelo: um modelo do processo é desenvolvido com os seguintes possíveis objetivos: 
 Testar várias estratégias de controle 
 Utilizar os métodos baseados em modelo para projetar os controladores 
 Incorporar o modelo diretamente na lei de controle (MPC) 
 
Figure 1.10 Major steps in control system development 
Cha
pte
r 1 
35 
Ementa 
 Introdução ao controle de processos e à instrumentação industrial. Sistemas de controle de realimentação. Representação em diagrama de blocos. Instrumentação industrial em malhas de controle. Sensores e transmissores de sinais. Elementos finais de atuação. Controladores PIDs. Estabilidade de malhas de controle. Métodos de ajuste de controladores. Métodos de síntese direta. Sistemas de controle feed-forward. Sistemas em cascata. Aplicações em processos controlados. Controle multivariável. 
Bibliografia 
 SEBORG, D.E., EDGARD, T.F., MELLICHAMP, D.A., Process Dynamics ad Control, John Wiley & Sons, 2nd. Edition, 2004. 
 OGUNNAIKE, B.A. e RAY, W.H., Process Dynamics, Modeling and Control. Oxford University Press, Oxford, 1994 
 BEQUETTE, B.W., Process Control, Modeling, Design and Simulation, Prentice-Hall, 2003. 
 MARLIN, T.E., Process Control: Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance, 2nd Ed, McGrawHill, 2000. 
 SMITH, C.A. CORRIPIO, A.B., Principal and Practice of Automatic Process Control, John Wiley, 1985 
 LUYBEN, W.L. e LUYBEN, M.L. Essentials of Process Control. McGraw-HillInternational Editions, 1997 
 STEPHANOPOULOS, G., Chemical process Control an Introduction to Theory and Practice, Prentice Hall, 1984. 
Bibliografia 
 COUGHANOWR, D. R. Process System Analysis and Control. 2nd Ed. McGraw-Hill International Editions, 1991. 
 CAMPOS, M.C.M.M. e TEIXEIRA, H. C. G., Controles Típicos de Equipamentos e Processos Industriais, Editora Edgard Blücher, 2006. 
 VALDMAN, B., FOLLY, R.O.M. e ANDRÉA SALGADO, A. Dinâmica, Controle e Instrumentação de Processos. Editora UFRJ, 2008. 
 DE SOUZA JR., M.B. e TRICA, D. J., Introdução a Modelagem e Dinâmica para Controle de Processos. Publit, 2013. 
 NUNES, G.C., MEDEIROS, J. L, ARAÚJO, O.Q.F., Modelagem e Controle na Produção de Petróleo - Aplicações em Matlab, Editora Edgard BlucheR, 2010. 
 OGATA, K., Engenharia de Controle Moderno, 4ª Ed., Prentice Hall, 2007.