Controle Multivariável

Os tipos de malhas de controle mostrados nas Fig. 5.1 e 5.2 são usados em várias combinações importantes, como segue:

1. Relação 2. Cascata 3. Auto-seletor

4. Faixa dividida (Split range)

5. Preditivo Antecipatório (Feedforward) Cada uma destas combinações podem ser usada em conjunto com uma ou mais de outras combinações.

Relação

O controle de relação (ratio) é o controle da razão de duas variáveis de processo. Uma variável flutua livremente de acordo com as exigências do processo e chamada de variável livre (wild). A outra variável é proporcional à variável livre e é chamada de variável manipulada. Um processo como a mistura de gasolina (blending) usa o controle de relação para proporcionar vários

componentes, usando diferentes relações para gasolina especial, gasolina aditivada ou gasolina premium.

Fig. 5.5. Controle de Relação de Vazões A Fig. 5.5 mostra como um produto químico A é misturado com um produto B em uma proporção desejada. A é a variável livre e B é a vazão manipulada. As duas vazões são medidas por dois transmissores que informam a um computador analógico quais são as vazões instantâneas. O computador divide os dois sinais pneumáticos

provenientes dos transmissores e envia a saída para um controlador, que representa a relação. O ponto de ajuste do controlador é ajustado para estabelecer uma relação fixa entre A e B, por exemplo 5/12. O controlador ajusta continuamente a vazão B, de modo que a mistura de A e B sempre contem 5 partes de A e 12 partes de B, independente de como a vazão A varia.

Cascata

O controle casta é aquele em que a saída de um controlador estabelece o ponto de ajuste de outro controlador. Seja o aquecedor de óleo que usa vapor para aquecer a serpentina para esquentar o óleo, como mostrado na Fig. 5.6(a). Este sistema pode fornecer um bom controle da

temperatura do óleo se forem constantes: 1. pressão do vapor de aquecimento, 2. vazão de óleo

3. temperatura de entrada do óleo Fig. 5.6. Evolução para o controle cascata

Assim, o controle de temperatura deve ajustar a válvula de controle para passar exatamente a quantidade correta de vapor para manter a temperatura de saída do óleo igual ao ponto de ajuste e deve existir equilíbrio no aquecedor.

Porém, a pressão do suprimento de vapor flutua muito por causa do uso variável pelos

TC TV Vapor com pressão flutuante Trocador de calor Óleo quente Óleo frio Outros usuários de vapor

(a) Malha de controle simples TC PV Vapor com pressão flutuante Trocador de calor Óleo quente Óleo frio Outros usuários de vapor PC

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outros clientes. A taxa de transferência de calor do vapor para o óleo depende da diferença entre a temperatura do vapor e a temperatura do óleo. A temperatura do vapor depende da pressão do vapor no aquecedor: quanto maior a pressão, maior a temperatura. Quando a pressão do suprimento de vapor sobe ou cai, o efeito imediato é alterar a pressão do vapor dentro do aquecedor. Isto aumenta ou diminui a diferença de

temperatura entre o vapor e o óleo e, como conseqüência, o óleo se torna mais frio ou mais quente. Nenhuma correção é feita até que a temperatura seja sentida e o

controlador de temperatura comece a reagir. Neste intervalo de tempo, sempre há um erro no controle de temperatura. O controle de temperatura é usualmente lento, de modo que o erro pode se tornar grande e pode permanecer por muito tempo.

O controle de temperatura pode ser melhorado pelo sistema de controle cascata, mostrado na Fig. 5.6 (b). Quando a pressão de vapor variar e causar variações na pressão interna do aquecedor, o controlador de pressão sente e reajusta rapidamente a válvula de pressão para levar a pressão para o ponto de ajuste. A malha de controle de pressão age mais rápido que a de

temperatura e o retorno da temperatura para o ponto de ajuste é muito mais rápido. Assim, o efeito da flutuação da pressão de vapor é corrigido para uma dada carga do aquecedor.

Mas, o que acontece se a carga do aquecedor variar, ou seja, se a exigência de transferência de calor variar? A carga

depende da vazão de óleo e sua temperatura de entrada. O controlador de temperatura sente a variação na temperatura do óleo quente e diz ao controlador de pressão para ir e ficar em uma nova pressão do vapor. O controlador de pressão possui um ponto de ajuste remoto e automático. O controlador de pressão rapidamente altera a posição da válvula para uma nova pressão do vapor e ele continua a agir prontamente para corrigir a pressão sempre que ela flutuar. Porém, se as variações de carga são muito grandes e a exigência do controle é muito rigorosa, pode- se usar ainda outras estratégias de controle, como o controle preditivo antecipatório.

O sistema de controle cascata tem dois controladores a realimentação negativa mas apenas um único elemento final de controle. No exemplo, o controlador de temperatura tipifica um controlador primário ou controlador

mestre. O controlador de pressão tipifica um

controlador secundário ou controlador

escravo. A malha de controle secundaria para a pressão pode ser olhada simplesmente

como um elemento final de controle

elaborado para o controlador de temperatura. Uma exigência geral para todo sistema de controle cascata é que a malha de controle secundário seja muito mais rápida que a malha de controle primária. Se a malha secundaria não for muito rápida, ela tende a desestabilizar a malha de controle primária em vez de estabilizar e aparece a oscilação.

Auto-seletor

O controle seletivo ou auto-seletor usa dois controladores, mas somente uma válvula de controle ou outro elemento final, como o sistema de controle cascata, mas há uma grande diferença. O controle cascata possui um controlador que controla o outro. No controle seletivo, cada controlador é

independente do outro. Qualquer um dos dois controladores pode estar em controle a qualquer tempo, mas quando um controlador está em operação, o outro está como reserva ou de stand by.

O conceito de controle seletivo ou auto- seletor é explicado pelo exemplo na Fig. 5.7, que mostra um tanque cujo nível é controlado pela modulação da válvula de controle na linha de dreno de saída. A vazão do dreno do tanque é controlada usando-se a mesma válvula. Há duas exigências do processo:

1. o nível não pode ficar muito baixo 2. a vazão não pode ser muito alta Quando o nível ficar muito baixo, o controlador de nível está normalmente em ação e corta a vazão. Quando a vazão estiver muito alta, o controlador de vazão está em ação e também corta o excesso de vazão. Sempre, a válvula toma a posição menos aberta dos comandos dos dois controladores.

A escolha de qual controlador deve assumir o controle é feita automaticamente por um relé seletor, que faz uma transição suave de um sinal de entrada para outro. A função seletora deste relé pode ser

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Fig. 5.7. Controle seletivo

Faixa dividida (Split range)

O controle de faixa dividida usa um controlador e duas válvulas de controle, ambas moduladas. A Fig. 5.8 (a) mostra um esquema de controle de temperatura para um processo batelada (batch), usando um tanque de reação química que requer a temperatura de reação constante. Para começar a reação o tanque deve ser aquecido e isto requer uma vazão de vapor através da serpentina. Depois, a reação exotérmica produz calor e o tanque deve ser resfriado e isto requer uma vazão de fluido refrigerante, através de outra serpentina (poderia ser a mesma).

O controle suave da temperatura é conseguido pelo seguinte sistema básico:

1. a saída do controlador de temperatura varia gradualmente quando a

temperatura do tanque aumenta 2. quando o controlador solicita que a

válvula de aquecimento esteja totalmente aberta, a válvula de resfriamento deve estar totalmente fechada

3. quando o controlador solicita que a válvula de resfriamento esteja totalmente aberta, a válvula de aquecimento deve estar totalmente fechada

4. no meio do caminho, ambas as

válvulas devem estar simultaneamente fechadas, de modo que não haja nem aquecimento nem resfriamento. 5. cada válvula se move de modo

contrário e seqüencial à outra. Este arranjo de controle é chamado de faixa dividida ou split range.

Fig. 5.8. Controle de Faixa Dividida LC

FC

<

Tanque

Este esquema evita nível muito baixo e vazão muito elevada

Tanque de reação Produto químico Vapor aquecedor Serpentinas Água refrigerante Efluente químico

(a) Sistema de controle de processo

LC LV-A LV-B Saída do controlador % span Temperatura

% span Posição da válvula de vapor Posição da válvula de água 100 0 100 0 fechada aberta fechada fechada fechada aberta (b) Operação da válvula de controle

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