Objetivos de Ensino
PROCESSO CONTÍNUO
4. Tipos Básicos de Processo
Há três tipos básicos de processos, quanto a sua capacidade de se controlar sem o auxilio externo ou quanto a sua habilidade de amortecer os distúrbios que aparecem:
1. auto-regulante 2. integrante
3. com realimentação positiva. A maioria da literatura técnica concentra se no estudo do ganho e dos termos dinâmicos dos processos auto- regulantes, com realimentação negativa interna. Os outros processos são menos discutidos, embora sejam freqüentes na prática.
4.1. Processo Auto-regulante
O processo auto-regulante possui uma espécie de controle interno, inerente a ele. Ele possui um amortecimento, de modo que ele se regula automaticamente. O processo auto-regulante é fácil de ser controlado, pois ele ajuda a limitação do desvio da variável controlada.
Quando se aplica um degrau na
entrada do processo auto-regulante, a sua saída varia conforme uma exponencial decrescente, tendendo assintoticamente para um valor limite natural ou valor de regime final.
Exemplos de processos auto- regulantes:
1. malha de controle de vazão, 2. malha de controle de nível sem
bomba na descarga, onde a coluna liquida estabelece naturalmente a vazão da saída,
3. malha de controle de pressão com pequena relação entre o volume do tanque com a vazão de entrada, 4. malha de controle de temperatura,
exceto das reações químicas exotérmicas,
5. malha de controle de pH, de óxido redução e de concentração em processo contínuo (não batelada). No processo auto-regulante com tempo morto muito maior que o tempo
característico, o período natural de
oscilação é igual ao dobro do tempo morto. Tn = 2 tm
Quando o tempo morto é muito menor que o tempo característico o período natural é igual a quatro vezes o tempo morto do processo.
Tn = 4 tm
Fig. 2.17 Processo auto-regulante
A auto-regulação do processo pode estar apenas na entrada (ou na saída) ou em ambas. Como exemplo, considere os três diferentes sistemas de controle de nível:
1. o sistema com a saída e a entrada totalmente independentes entre si e independentes do nível do tanque. O nível do tanque pode ser controlado pela vazão de entrada. Porém, se a entrada é independente da saída, uma pequena diferença entre as vazões leva o tanque ou para totalmente cheio ou para totalmente vazio. Não há auto- regulação; este processo é integrante. 2. o sistema com a entrada independente
do nível, mas com a saída dependente do nível, pois a abertura da válvula da saída é proporcional ao nível: quanto maior o nível, maior será a vazão da válvula de saída. É um sistema parcialmente auto-regulante ou com a auto-regulação apenas na saída. Quando o nível sobe, a válvula da saída abre mais, fazendo o nível descer.
3. o sistema completamente auto-
regulante, quando a vazão de saída e a
y 0 tm transitório tempo saída degrau entrada A permanente
vazão de entrada dependem ambas do nível. Quando o nível é elevado, o sistema naturalmente diminui a vazão de entrada (maior resistência a vencer) e aumenta a vazão de saída (maior pressão da coluna liquida) As variações na vazão de entrada ou na vazão de saída causarão apenas uma pequena variação no nível, pois o processo ajuda a restabelecer o equilíbrio. Como conclusão, quando se puder fazer uma escolha do sistema a ser controlado, aquele com o maior grau de auto-regulação deve ser o escolhido, pois ele é mais fácil de ser controlado.
4.2. Processo Integrante
A resposta de malha aberta do processo integrante não atinge um valor limite estável, quando se aplica um degrau unitário em sua entrada. A sua saída varia conforme uma rampa ascendente,crescendo continuamente, até atingir o valor limite natural do processo; por exemplo, 100% donível do tanque e a explosão do tanque, no controle de
pressão. Ele é chamado de integrante. por que a resposta na saída é igual a integral da entrada.
Exemplos de processos integrantes: 1. a malha de controle de nível com
bomba na descarga, onde a vazão da saída independe da coluna liquida ou com a válvula de controle na entrada do tanque,
2. a malha de controle de pressão sem abertura de descarga ou com pequena relação entre a vazão de entrada e o volume do tanque, 3. a malha de controle de pH, de óxido
redução e de concentração em processo tipo batelada (não contínuo),
Como o processo integrante não se balanceia por si e não possui um valor de regime, ele não pode ser deixado sem controle automático durante longo tempo. Ele deve ter um sistema de segurança que evite a variável controlada atingir o valor perigoso, quando o controle automático falhar.
Fig. 2.18 Processo integrante: quando a entrada é
um degrau, a saída é uma rampa.
No processo integrante, quando se pode ajustar a banda proporcional em faixa menor que 10%, não é necessário usar o modo integral pois o desvio permanente é pequeno e usa se o controle proporcional isolado. Quando a banda proporcional não puder ser tão estreita, pode se usar a ação integral somente quando for possível associar também a ação derivativa.
No processo integrante, é comum é se ter o tempo característico muito grande. Quando, porém, o tempo morto é muito maior que o tempo característico, o
período de oscilação da frequência natural do processo é igual a 4 vezes o tempo morto.
O período natural do processo integrante é muito maior do que o do processo auto-regulante, com mesmo tempo morto e mesmo tempo
característico. Pode se demostrar
matematicamente que o período natural do processo integrante é cerca de 56 vezes o período natural do processo auto-
regulante. Como conseqüência, os ajustes do tempo integral e do tempo derivativo para este processo integrante devem ser 56 vezes maiores que os ajustes do processo auto-regulante. Por isso o processo integrante requer muito menor ação integral e muito maior derivativa. Esta é a principal razão porque a ação integral não deve ser usada em controle de nível. Se o ruído do nível, devido a turbulência ou borbulhamento, necessitar da banda
proporcional mais larga, pode se usar a ação integral para eliminar o maior desvio permanente. A banda proporcional
entrada saída
requerida por alguns processos integrantes é tão estreita que é menor que os limites do controlador comercial disponível.
O processo batelada é integrante e tem aproximadamente a mesma qualidade de controle que o processo contínuo auto- regulante, se ambos os tanques possuem grande capacidade, pequena vazão de alimentação, grande agitação (equivale dizer, pequeno tempo morto) e os transmissores e as válvulas são rápidos, de modo que as duas malhas possuam o mesmo período natural (Tn = 4 tm).
Quando o processo está instável e oscilando com a amplitude constante, tem- se o ponto de período natural da malha de controle. Quanto maior for o período natural de oscilação do processo, maior é o grau de dificuldade de controle. O processo integrante é mais difícil de ser controlado que o auto-regulante.
4.3. Processo run away)
Quando se aplica um degrau unitário na entrada de certos tipos de processos, a sua saída não tende para um valor de patamar limite (auto-regulante), nem sobe como uma rampa (integrante), mas sobe como uma exponencial crescente, até atingir o valor limite natural do processo, por exemplo, a ruptura de um reator químico ou a velocidade excessiva em um compressor dinâmico.
Este tipo de processo é chamado de
run away. Por ele possuir uma espécie de
realimentação positiva interna, que o força a se afastar de qualquer valor de regime estável, será chamado, no presente trabalho, de processo com realimentação positiva.
Exemplos de processos com realimentação positiva:
1. o controle de temperatura de reações exotérmicas, onde a inclinação da curva de remoção do calor é menor que a inclinação da curva de geração de calor,
2. o controle de concentração de reações biológicas, onde a inclinação da curva de diluição é menor que a inclinação da curva da geração das células,
3. o controle de compressor dinâmico, durante o surge quando a inércia do rotor é baixa.
No reator onde há uma reação exotérmica, tem se:
1. aumento da temperatura da reação, 2. aumento da velocidade da reação, 3. aumento da geração de calor, 4. aumento da temperatura da reação.
Fig.2.19. Processo sem controle (run away)
No controle de processo com realimentação positiva pode se ter um fenômeno interessante, quando pode haver oscilação do sistema provocada por uma banda proporcional muito ... larga. O comum é ter banda proporcional muito estreita como causa de oscilação. Quando a banda proporcional é muito larga os pequenos distúrbios que aparecem não são corrigidos e podem se acumular e crescer até um determinado limite físico ou os outros modos podem compensar
excessivamente e desencadear uma oscilação instável.
O processo com realimentação positiva opera melhor com as ações proporcional mais derivativa porque a ação integral necessária é tão pequena, por causa do elevado período natural, que não é disponível no controlador prático.
Apostilas\Controle 2Processo.DOC 24 ABR 00 (Substitui 02 DEZ 98)
y 0 tm tempo saída perda do controle sob controle ponto de mudança