Circuitos do Controlador

As dificuldades de controle do processo variam muito e por isso são disponíveis controladores comerciais de vários tipos e modos de controle.

Existem características padronizadas e existem aquelas especiais, fornecidas somente quando explicitamente solicitado.

Não especificar todas as necessidades requeridas implica em se ter um controle de processo insatisfatório e até impossível. Especificar o equipamento com

características extras que não terão utilidade é, no mínimo, um desperdício de dinheiro. É também uma inutilidade a especificação do instrumento com

características especiais, sem entendê-las e sem ajustar o controlador corretamente.

A maioria dos textos sobre controle considera o controlador ideal e teórico, com as três ações separadas,

independentes e não interativas. Na prática da instrumentação, a situação não é tão simples assim. Pode se ter interação entre os modos de controle, nos domínios do tempo e da freqüência.

Sob o ponto de vista de construção, os controladores podem ter os modos de controle dispostos em série ou em paralelo.

2.1. Controlador Paralelo

O controlador paralelo computa os modos proporcional, integral e derivativo em paralelo. Os modos são não interativos no domínio do tempo, mas são interativos no domínio da frequência. O controlador paralelo é chamado de ideal e não-

interativo, por Shinskey. O erro acumulado

para o controlador paralelo é cerca da metade do correspondente ao controlador em série. Quando os tempos integral e derivativo são ajustados muito próximos, o controlador se torna extremamente

sensível as variações do ganho e o período da malha irá se desviar.

A Foxboro Co. testou um controlador paralelo em processo auto-regulante e conclui que:

1. o período natural da malha

aumentou de 16 para 55 segundos, 2. a banda proporcional variou de 10 a

100% , sem alteração do amortecimento de 4 para 1. O tempo derivativo do controlador paralelo pode ser ajustado cerca de 25% do tempo integral .

O controlador paralelo é difícil de ser sintonizado e de se manter sintonizado e raramente é fabricado. Mesmo assim, a maioria da literatura técnica apresenta as equações e relações do controlador paralelo, pois elas são separadas e facilmente representadas.

Fig. 4.6. Algoritmo paralelo (ideal)

2.2. Controlador Série

O controlador série computa o modo derivativo em série com os modos proporcional e integral. Os modos são interativos no domínio do tempo mas são não interativos no domínio da freqüência. O controlador série é chamado de real e

interativo por Shinskey.

A maioria dos controladores industriais, analógicos e digitais, calcula inicialmente o modo derivativo, antes do integral, para reduzir o erro de pico.

O tempo derivativo equivalente do controlador paralelo não pode mais ser maior do que 1/4 do tempo integral, porque o tempo integral aumenta mais rápido que o tempo derivativo, quando o tempo integral do controlador série é aumentado.

Os ajustes dos modos do controlador paralelo equivalente podem ser calculados dos ajustes do controlador série, através das seguintes relações:

' BP I BP= c c i i _I ' T T = d c d I T' T = onde BP, Ti e Td são os parâmetros do controlador paralelo,

BP', Ti' e Td' são os parâmetros do controlador série.

Ic é uma constante, definida como fator de integração e vale matematicamente:

(

)

A banda proporcional e o tempo derivativo são menores e o tempo integral é maior para o controlador paralelo.

2.3. Controlador Analógico

Historicamente, até a década de 1970 foi usado principalmente o controlador analógico pneumático, até a década de 1980, o controlador analógico eletrônico e a partir da década de 1980, o controlador digital eletrônico.

O controlador analógico usa sinais contínuos para computar a saída do controlador. Testes feitos em controlador analógico industrial eletrônico revelaram os seguintes resultados:

1. a banda proporcional medida era de 0 a 25% maior que a marcação do dial,

2. o tempo integral medido era cerca de 100% maior que a marcação do dial,

3. o tempo derivativo marcado era cerca de 40 a 70% menor que a marcação do dial,

4. o tempo integral medido não se alterava com a variação do ajuste do tempo derivativo. [Teoricamente, para o controlador série, o tempo integral deveria aumentar com o aumento do tempo derivativo]. 5. o tempo derivativo e a banda

proporcional medidos obedeceram aproximadamente as equações teóricas, exceto que a variação medida foi menor que a calculada para os ajustes grandes do dial. 6. a saída do controlador medida

mostrou um pico sempre que um ajuste derivativo de qualquer valor era feito.

7. [O algoritmo teórico do controlador série prevê somente um pico se o tempo derivativo fosse ajustado em valores maiores que 1/4 Ti]

Proporcional Integral Derivativa + medição Ponto ajuste + + ₊ + saída

2.4. Controlador Digital

Hoje se vive em um mundo analógico cercado por um universo de tecnologia digital. O computador digital é usado de modo intensivo e extensivo na

instrumentação, no controle digital

distribuído, no controle lógico programado de processos repetitivos, no controle a realimentação negativa de uma única malha (single loop), em computação analógica de medição de vazão, na transmissão.

Embora o processo seja contínuo no tempo, o controlador digital existe em um mundo discreto porque ele tem

conhecimento das saídas do processo somente em pontos discretos no tempo, quando são obtidos os valores de amostragem.

(a) Ação derivativa aplicado ao erro

(b) Ação derivativa aplicada apenas à medição

Fig. 4.7. Controlador série (real)

Em geral o controlador digital desempenha as seguintes tarefas:

1. obtém um valor amostrado da saída do processo,

2. calcula o erro entre a medida e o ponto de referência armazenado no computador,

3. computa o valor apropriado para a entrada manipulada do processo, 4. gera um sinal de saída para o

elemento final de controle,

5. continua a mesma operação com a próxima variável controlada.

O tempo requerido para conseguir um novo nível da variável manipulada é tipicamente curto comparado com o tempo entre as amostragens. Portanto, pode-se assumir que a entrada para o processo é uma seqüência de valores constantes que variam instantaneamente no início de cada período de amostragem.

Deve-se ter um algoritmo de controle para o calculo dos valores das variáveis manipuladas. O prosaico algoritmo PID é ainda utilizado.

Esta operação discreta é repetitiva e o período é chamado de sample e hold.

A grande desvantagem do controlador digital é a introdução de vários tipos de tempo morto: devido ao tempo de

amostragem, a computação matemática, a filtragem analógica das harmônicas da freqüência de amostragem e a

caracterização do modo derivativo. Por causa deste tempo morto adicional, o controlador digital não pode ser usado indiscriminadamente em malha de controle de processo crítico e rápido, como para o controle de surge de compressor ou controle de pressão de forno em faixa estreita.

Outra desvantagem do controle analógico ser feito por um controlador digital é o recebimento da amostragem. O recebimento dos dados de modo discreto é considerado um distúrbio para a ação derivativa, que poderá desestabilizar a malha, gerando os impulsos na entrada (positivo) e saída da amostra (negativo). Assim, deve-se evitar o uso da ação derivativa em controlador digital ou então pagar caro pelos complexos algoritmos desenvolvidos para resolver este problema.

Por outro lado, o controlador digital aumentou a capacidade de computação para o controle e para a caracterização das ações de controle, sendo adequado para estratégias de controle avançadas, como o controle preditivo antecipatório.

Tipicamente, o controlador digital é superior ao analógico, em precisão e Derivativa + medição set point + + ₊ Proporcional Integral + + Proporcional Integral Derivativa medição set point + -

resolução dos ajustes dos modos de controle, na precisão da computação adicional, como na linearização e

caracterização de sinal, mais flexível em função da programação e da comunicação.

Porém, o aumento da flexibilidade resulta em um aumento da

responsabilidade do instrumentista, desde que maior leque de escolha implica em maior probabilidade de cometer erros.

O controlador digital usa sinais

discretos (sample e hold) para computar a saída do controlador. Geralmente, o controlador digital é baseado em microprocessador. O controlador digital emula o algoritmo analógico P + I + D.