A análise puramente visual dos gráficos que representam as variáveis de processo e manipuladas de um sistema de controle pode muitas vezes não ser precisa para avaliar o desempenho deste sistema. Este tipo de análise depende fortemente da experiência
pessoal de quem está avaliando e, em geral, só é válido se somente um controlador ou processo está sendo avaliado [Braga e Jota, 1994]. Desta forma, a análise visual não é adequada para avaliação de desempenho de sistemas multimalhas como um todo, mas somente de uma malha isolada do sistema [Torres, 2002].
Sendo assim, foi proposto por Braga e Jota [Braga e Jota, 1994] um avaliador de de-sempenho de malhas de controle (ADMC) que leva em consideração um índice baseado em critérios múltiplos apropriado para a análise de desempenho de malhas de controle de sistemas industriais.
1.7.1 Utilização do Avaliador de Desempenho
O avaliador de desempenho proposto por Braga e Jota [Braga e Jota, 1994] utiliza critérios múltiplos para a avaliação do desempenho das malhas de controle de um deter-minado processo industrial, produzindo um índice global que pode ser utilizado tanto para escolher a melhor estratégia de controle quanto para a sintonia dos parâmetros dos controladores. Este índice pode ser definido como uma medida do desempenho do sistema levando em consideração as características mais relevantes da sua resposta.
Como a avaliação do desempenho de um sistema de controle depende da visão de diferentes pessoas em relação ao sistema, o ADMC leva em consideração três pontos de vista distintos: o do gerente, o do usuário e o do engenheiro de controle. Cada um destes grupos utiliza critérios objetivos e subjetivos para a avaliação [Braga e Jota, 1994].
O gerente do sistema está interessado no custo inicial de implantação do sistema, na quantidade de energia consumida, no custo de manutenção do mesmo bem como na confiabilidade do sistema como um todo. Os custos de manutenção se referem ao desgaste de válvulas, por exemplo, que se relacionam com a variação do sinal de controle. São considerados também pelo gerente a complexidade do processo e o tempo gasto na sintonia dos controladores.
Em relação ao usuário do sistema, sua avaliação é mais subjetiva. Ele está preocu-pado com o conforto, simplicidade e facilidade de operação do sistema, com a confiabi-lidade e também com a rapidez em atingir os valores de referência. Preocupações com custos de operação e manutenção não são tão relevantes neste ponto de vista.
Já para o engenheiro de controle, são relevantes as preocupações com a capacidade do controlador rejeitar perturbações de forma rápida e de seguir determinada referência,
além da estabilidade geral do sistema, precisão e imunidade a ruídos. Ele se preocupa também com a variação do sinal de controle, com o tempo de resposta do sistema, com a energia disponível e gasta, com a sobre-elevação do sinal e também com a confiabilidade do sistema como um todo.
Para levar em consideração tais pontos de vista, são atribuídos pesos aos seguintes índices de desempenho, considerando cada malha separadamente:
- Integral do Erro Absoluto Ponderada - IEA - Integral do Erro ao Quadrado Ponderada - IEQ
- Integrais do Erro Multiplicadas pelo Tempo Ponderada - IEAT e IEQT - Integral da Variável Manipulada ao Quadrado Ponderada - IUQ
- Índice de Atividade da Variável Manipulada - IAU - Índice de Atividade da Variável Controlada - IAY - Índice da média do Erro - IEM
Em Braga e Jota [Braga e Jota, 1994] são definidas as equações para todos estes índices, sendo que seus pesos devem ser atribuídos de forma criteriosa para que a rele-vância de cada um deles possa ser representada corretamente no resultado da avaliação. Para expressar os resultados da avaliação foram criados índices que representam as três visões consideradas, sendo IDG o índice de desempenho do gerente, IDU o índice de desempenho do usuário e IDE o índice de desempenho do engenheiro de controle. O índice de desempenho global, GPI (Global Performance Index ) é calculado através de uma média ponderada dos três índices anteriores, sendo que todos eles são normalizados de forma a apresentar valores entre 0 e 100.
Os pesos padrão para cada um dos índices de desempenho sugeridos por Braga e Jota [Braga e Jota, 1994] estão mostrados na Tabela 1.1.
Existem ainda no algoritmo de avaliação alguns parâmetros que podem ser configu-rados pelo usuário a fim de garantir uma maior liberdade na avaliação do desempenho de malhas de controle [Torres, 2002], sendo eles:
- Janela Temporal Assintótica - ASL: intervalo de tempo em que os dados são considerados com peso maior e contribuem com aproximadamente 2/3 do índice.
Tabela 1.1: Pesos padrão atribuídos aos índices de desempenho.
Índices Engenheiro Gerente Usuário
IEQ 1 0,25 0,5 IEA 1 0,25 0,5 IEQT 1 0,25 1 IEAT 1 0,25 1 IEM 1 0,25 1 IAY 1 0,5 1 IAU 1 1 0,5 IUQ 1 1 0,5
É determinada com o objetivo de garantir que os índices não cresçam de forma ilimitada no decorrer do tempo em uma aplicação "on-line".
- γ: fator utilizado para atenuação ou reforço dos valores do índice em certas faixas dinâmicas, aumentando a sensibilidade durante o procedimento de normalização.
- Faixa Dinâmica - DR: tem a finalidade de aumentar a sensibilidade na faixa de trabalho da variável que está sendo analisada. Pode ser determinada através da variação esperada na variável de processo (PV) durante a avaliação dividida pelo limite operacional desta variável.
- ε: define uma zona morta normalizada para considerar o erro como sendo nulo. Pode ter seu valor determinado pela variação que será causada em PV durante o processo de avaliação dividida pela variação de PV que pode ser considerada como erro nulo.
- ∆P Vmax e ∆MVmax: variações máximas das variáveis de processo e manipulada, respectivamente, em um período de amostragem.
- g: representa o ganho médio do sistema podendo ser calculado como o valor médio de PV dividido pelo valor médio da variável manipulada (MV), ambos em regime estacionário.
Diversos trabalhos fizeram uso do avaliador de desempenho de malhas de controle proposto por Braga e Jota [Braga e Jota, 1994].
Jota e colaboradores [Jota et al., 1995] utilizaram o ADMC para avaliar estratégias de controle distintas utilizando um sistema de tanques interativos como planta piloto. Duas estratégias de controle foram consideradas para avaliação: a primeira consiste em um sistema multimalhas com dois controladores SISO e a segunda consiste em um sistema multivariável com um controlador MIMO implementado. Nestas configurações foram implementados um controlador de variância mínima generalizado, um controlador preditivo generalizado, um controlador PID clássico e um controlador fuzzy multivariá-vel. No trabalho desenvolvido por Jota e colaboradores foi constatado que o ADMC se mostrou eficiente na comparação entre as estratégias de controle utilizadas, destacando as melhorias no controle das malhas ao utilizar controladores avançados.
Torres [Torres, 2002] utilizou o ADMC para avaliar as malhas de controle do sistemas de tanques para estudo de controle de nível vazão e temperatura, STEC-NVT. Foi dado destaque à capacidade do avaliador de identificar as perturbações provocadas nas malhas de controle do sistema pelos acoplamentos existentes entre as malhas. No trabalho desenvolvido por Torres, foi mostrado que o avaliador de desempenho foi eficaz para a identificação destes acoplamentos.
Souza [Souza, 2005] utilizou o avaliador de desempenho para analisar o comporta-mento das malhas de controle do sistema de tanques STEC-NVT. Para fazer o estudo comparativo, foram realizados testes semelhantes utilizando primeiramente a configura-ção de controle sem desacopladores implementados e posteriormente com a tação dos desacopladores. No trabalho desenvolvido por Souza, o ADMC foi implemen-tado de forma a permitir uma avaliação on-line do desempenho das malhas de controle do sistema.
Portanto, estes trabalhos ilustram a utilização do avaliador de desempenho em sis-temas distintos. Em cada um deles o ADMC se mostrou uma ferramenta muito útil para identificar anomalias que possam ocorrer nas malhas de controle de um deter-minado sistema. Uma outra utilidade possível do avaliador é auxiliar no projeto de controladores, por meio da comparação entre diferentes estratégias implementadas.