Resultados Experimentais
5.2 Resultados Preliminares
Os parâmetros dos controladores (mostrados na Tabela 3.2) foram testados nas malhas de controle da planta piloto com o objetivo de verificar o funcionamento das mesmas. Após a realização dos primeiros testes completos na planta piloto, foi detectado que o sistema, apesar de controlado, não apresentava comportamento satisfatório. Por isso, foi necessário um ajuste nos parâmetros dos controladores obtidos inicialmente. Para que este ajuste fosse feito da melhor forma possível utilizou-se o avaliador de desempenho (ADMC) para comparar os resultados após cada alteração dos parâmetros
dos controladores. Sendo assim, foi possível tomar decisões, por meio de um critério quantitativo, sobre quais as alterações que trariam melhores resultados.
Após ajustes nos parâmetros dos controladores obtidos no capítulo 3, conforme mostrado na Tabela 3.2, novos valores foram obtidos resultando em um sistema de controle com desempenho melhor do que aqueles inicialmente projetados. A Tabela 5.3 mostra estes novos parâmetros dos controladores para as malhas de controle do STEC-NVT. Nesta tabela, Kc, τI e τD representam o ganho proporcional, o tempo integral e o tempo derivativo, respectivamente.
Tabela 5.3: Parâmetros dos controladores PI/PID aplicados à planta piloto.
Malha de Controle Kc τI(s) τD(s) Nível do TP 1,6 18,5 1,2 Nível do TAQ 2,35 18 -Temperatura do TP 9,31 132 19,99 Temperatura do TAQ 6,35 490 -Vazão de saída do TP 0,17 3
-Por meio dos testes iniciais foi verificado também o comportamento oscilatório, com baixo índice de desempenho, da malha de temperatura do TAQ. A fim de ilustrar este comportamento, a Figura 5.2 mostra um teste realizado com a malha de temperatura do TAQ aberta na tentativa de identificar as possíveis causas do problema. Neste teste, o valor da sua respectiva variável manipulada foi elevada de 0% a 30%, no instante de tempo 105s, estando as malhas de nível e vazão controladas com valores constantes e a malha de temperatura do TP aberta com a válvula TCV1 em 20%.
Conforme pode ser visto na Figura 5.2, quando a variável manipulada da malha de temperatura do TAQ está em 0% (até o instante de tempo 105s), com o resistor de aquecimento desligado, sua variável de processo permanece praticamente constante. No entanto, quando o tanque é aquecido, o comportamento da variável de processo passa a apresentar pequenas variações, que prejudicam o controle da mesma. É impor-tante observar que, apesar de os sensores de temperatura serem idênticos, a malha de temperatura do TP não apresenta este comportamento.
0 100 200 300 400 500 600 26 27 28 29 30 31 32 33 Temperatura do TAQ Temperatura(ºC) Tempo(seg) (a) 0 100 200 300 400 500 600 0 20 40 60 80 100 Tempo(seg) MV(%) (b)
Figura 5.2: Gráfico ilustrando o comportamento irregular da malha de temperatura do TAQ: (a) PV, (b) MV
Foram levantadas as seguintes hipóteses para as possíveis causas deste comporta-mento irregular da malha de temperatura do TAQ:
- Ruídos no circuito de acionamento - Ruídos no sensor de temperatura
- Problemas no sistema de aquecimento e na forma como a água circula no TAQ
Assim, com o auxílio de um osciloscópio, foram feitas medições no sinal de saída do circuito de acionamento do resistor para verificar se havia algum ruído bem como para verificar a variação do ângulo de disparo dos tiristores conforme fosse alterada o valor da variável manipulada. Não foram detectados problemas com ruídos no sinal que aciona o resistor e o ângulo de disparo dos tiristores estavam condizentes com os correspondentes valores da variável manipulada.
Foi medido também o sinal proveniente dos sensores de temperatura, tanto no sen-sor que mede a temperatura do TP quanto no que mede a temperatura do TAQ, sendo constatado que ambos os sensores apresentam pequenos ruídos. Estes ruídos, no en-tanto, não se mostraram significativos pois, mesmo com ruídos no sinal do sensor, a malha de temperatura do TP não apresenta o mesmo problema.
Ao serem eliminadas estas possibilidades, o problema da irregularidade do sinal medido da malha de temperatura do TAQ pode ser explicado através da forma com que a água circula dentro do tanque e do modo como ela é aquecida. Primeiramente, o resistor de aquecimento está colocado no fundo do tanque, com o sensor bem próximo a ele. Quando a água começa a ser aquecida, cria-se uma corrente de convecção dentro do tanque, aquecendo a água de maneira desordenada e fazendo com que a leitura do sensor seja perturbada.
Além disso, não existe um mecanismo de recirculação de água dentro do TAQ para fazer com que a temperatura desta se torne mais homogênea, como existe no TP. Esta recirculação e o fato de o aquecimento ser feito de forma indireta, por meio da água quente proveniente do TAQ, podem explicar o fato de o tanque de produto não apre-sentar problemas na leitura do sinal. Com esta forte recirculação, que é feita através de uma bomba, a água contida no TP torna-se homogênea, não havendo um aquecimento tão desordenado quanto o que ocorre no TAQ.
Como foi constatado que o problema do ruído na variável de processo do TAQ tem relação com a maneira em que o sistema de tanques foi construído, este não pode ser eliminado sem alterar as características da planta. Foi utilizado, então, um controla-dor PI para a malha de controle da temperatura do TAQ, pois o termo derivativo do controlador PID amplifica o sinal de ruído, prejudicando ainda mais o desempenho da malha.
A Figura 5.3 mostra um teste parcial da malha de temperatura do TAQ, onde foi aplicada uma variação na referência em degrau de 38◦C para 40◦C no instante de tempo 246s.
Pode-se perceber, por meio da Figura 5.3, que, mesmo utilizando um controlador PI, o sinal da variável manipulada ainda permanece muito oscilatório. No caso desta malha, a escolha dos parâmetros dos controladores (mostrados na Tabela 5.3) foi feita sem preocupar com as oscilações da variável manipulada.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 36 37 38 39 40 41 42 Temperatura do TAQ Temperatura(ºC) Tempo(seg) (a) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 0 20 40 60 80 100 Tempo(seg) MV(%) (b)
Figura 5.3: Gráfico da temperatura do TAQ com controlador PI: (a) PV (curva contí-nua) e SP (curva tracejada), (b) MV
A não preocupação com as oscilações na variável manipulada se justifica pelo fato de o dispositivo atuador, neste caso, ser um circuito eletrônico. Sendo assim, variações na MV implicam em variações no ângulo de disparo dos tiristores que compõem o circuito de acionamento do resistor de aquecimento do TAQ. Desta forma, estas variações da MV não causam desgastes excessivos no dispositivo, apesar de poderem provocar oscilações na malha, ao passo que, se o atuador fosse uma válvula de controle por exemplo, as oscilações poderiam causar desgastes indesejáveis.
Um outro problema causado pelas variações das variáveis de controle da malha de temperatura do TAQ é em relação ao desacoplamento. A MGR do sistema (equa-ção (3.4)) sugere que a malha de temperatura do TP seja desacoplada pela malha de temperatura do TAQ e pelo próprio nível do TP (conforme ilustra a Figura 3.1). Foi identificado, por meio da MGR, que o acoplamento mais forte é em relação à malha
de temperatura do TAQ. Desta forma, ao desacoplar a malha de temperatura do TP com a MV da malha de temperatura do TAQ, as oscilações nesta última acabam por interferir no funcionamento da malha de temperatura do TP. Por sua vez, a malha de temperatura do TP interfere na malha de controle desacoplada por ela e assim por di-ante. Isto causa um funcionamento inadequado do sistema como um todo, já que todas as malhas de controle estão interligadas de alguma forma.
A primeira tentativa a ser adotada para reduzir as variações da MV da malha de temperatura do TAQ seria filtrá-la. Como não existe um meio de implementar um filtro capaz de filtrar adequadamente o sinal da MV na configuração de controle distribuído atualmente existente na planta piloto, esta solução não foi considerada neste trabalho. Uma outra solução para fazer com que a variável manipulada da malha de tempera-tura do TAQ apresente menos variações seria diminuir o valor do ganho e do tempo inte-gral do seu controlador PI. Foi verificado que, mesmo com oscilações menores, a variável manipulada da temperatura do TAQ ainda não se torna adequada para ser utilizada no desacoplamento. Além disso, utilizando o ADMC, foi constatado que a diminuição no valor do ganho e do tempo integral do controlador PI da malha de temperatura do TAQ faz com que o controle desta malha tenha seu desempenho deteriorado.
Sendo assim, não foi possível utilizar a variável manipulada da malha de temperatura do TAQ para fazer o desacoplamento da malha de temperatura do TP, mesmo este sendo mais significativo. Então, o desacoplamento da malha de temperatura do TP teve que ser feito por meio da MV proveniente da malha de nível do TP.
Finalmente, nos testes preliminares utilizando os desacopladores, verificou-se que o ganho do desacoplador estático projetado para desacoplar a malha de temperatura do TP com o nível do TAQ estava com valor elevado. Isto fazia com que a variável manipulada da malha de nível do TAQ se movimentasse mais do que o necessário, quando eram feitas variações nos valores de referência da malha de temperatura do TP. Foi necessário, então, fazer um pequeno ajuste no valor do ganho deste desacoplador. A Tabela 5.4 mostra os ganhos dos desacopladores estáticos realmente utilizados na implementação das estratégias de controle com desacoplamento.
Tabela 5.4: Ganhos dos desacopladores estáticos para os acoplamentos mais significa-tivos utilizados na implementação.
Desacopladores Considerados Malha Causadora do Distúrbio Malha Afetada pelo Distúrbio Ganhos
DV ZT P →N T P Vazão de saída do TP Nível do TP 1,160
DN T AQ→T T AQ Nível do TAQ Temperatura do TAQ 1,135
DT T P →N T AQ Temperatura do TP Nível do TAQ 0,150
DN T P →T T P Nível do TP Temperatura do TP 0,114