Variáveis do Processo

2.1. Introdução

A variável do processo é qualquer quantidade física que possui o valor alterável com o tempo e com o espaço. Controlar uma variável significa manter constante a grandeza que tenderia a variar. Não se deseja e nem se pode controlar uma grandeza constante.

As variáveis do processo geralmente são interdependentes entre si. Para se controlar uma variável, é preciso fazer medições (geralmente mas nem sempre da variável controlada) e deve se manipular outra variável dependente. Existem variáveis mais facilmente detectáveis e outras, mais facilmente manipuláveis.

Uma variável de processo pode ser considerada, dentro de determinada tolerância e intervalo de tempo, como constante. Na natureza tudo está variando, porém, às vezes, esta variabilidade não é detectada pelo instrumento de medição e por isso a variável é considerada

constante.

Outros parâmetros de controle são estabelecidos e mantidos fixos. Exemplos de constantes são o valor do ponto de ajuste, dos ajustes das ações de controle e dos pontos de alarme.

Naturalmente, uma variável analógica se altera de modo suave. Raramente a natureza dá saltos. Em controle, uma alteração brusca da variável é anormal e geralmente um indicativo de quebras ou problemas. Porém, a variação do ponto de ajuste feita pelo operador geralmente é rápida e do tipo degrau e o controlador bem projetado deve prever e tratar esta variação brusca.

A partir destas premissas, serão definidas, agora, as variáveis envolvidas na malha de controle: 1. controlada 2. medida 3. manipulada 4. aleatória 5. distúrbio 6. carga do processo

2.2. Variável Controlada

A variável controlada é aquela que se quer manter constante, mesmo que haja influência de outras variáveis que

tenderiam modificar o seu valor. Na malha de controle à realimentação negativa, a variável controlada é sempre medida, geralmente na saída.

A variável controlada determina o tipo e o tag da malha de controle. Quando se fala de malha de temperatura, a temperatura é a variável controlada.

2.3. Variável Medida

Na instrumentação, a maioria das medições é feita de modo indireto. Mede- se uma grandeza física diretamente e infere o valor da variável desejada desta medição. Por exemplo, a medição de temperatura por enchimento termal é uma medição direta de pressão; a medição da temperatura através do termopar mede diretamente uma tensão elétrica. A medição de nível geralmente é feita

através da medição da pressão diferencial. A medição da vazão, por placa de orifício, se resume na medição da pressão

diferencial gerada pela placa. Porém, em todos casos, o que se considera como mais importante é a variável que se quer medir ou controlar. A variável medida é que determina o tipo do elemento sensor.

Em princípio, qualquer variável de processo que possa produzir um movimento, uma força mecânica, uma força eletromotriz ou a variação de uma grandeza elétrica passiva, pode ser medida, por sensores mecânicos e eletrônicos.

Fig. 2.8. Variáveis da malha fechada de controle

2.4. Variável Manipulada

A variável manipulada é aquela que é monitorada pelo controlador para influir no valor da variável controlada. Na malha de controle a realimentação negativa a variável manipulada está na entrada do processo.

A variável manipulada determina o tipo do elemento final de controle. Como a maioria dos elementos finais de controle é a válvula com atuador pneumático, a vazão do fluido que passa através da válvula é a variável manipulada.

As variáveis manipuladas incluem a posição da válvula, a posição do damper, a velocidade do motor. Uma malha de

controle é muitas vezes manipulada para controlar outra variável em esquemas de controle mais complexos. Por exemplo, o controle da temperatura (variável

controlada) pode ser realizado através da atuação na vazão (variável manipulada) de vapor. O vapor é considerado o meio de controle.

Deve-se notar que o meio de controle pode conter outras variáveis, além da que está sendo manipulada, que também influem na variável controlada. Por exemplo, a qualidade do vapor

superaquecido depende da temperatura e da pressão. A capacidade de aquecimento do vapor é função de sua quantidade e de sua qualidade. A vazão é relacionada com a quantidade de vapor. Para a mesma quantidade de vapor, a capacidade de aquecimento pode se alterar pelas

variações da pressão e da temperatura do vapor. O vapor com menor pressão é menos eficiente para o aquecimento que o de maior pressão.

2.5. Variáveis Aleatórias e Distúrbios

Além das variáveis controlada e

manipulada, de interesse direto para o controle do processo, existem outras variáveis que influem no processo. Essas variáveis, que afetam o desempenho do processo, podem ser chamadas, de um modo genérico, de distúrbios ou de carga do processo. Como o seu controle direto é muito difícil, deve-se aprender a conviver com elas e ajustar o sistema para

compensar a sua influência. variável controlada (c) desvio medição – set point variável manipulada (m)

Podem ser considerados como distúrbios do processo: as condições de operação, as condições ambientais, o desgaste dos equipamentos e dos

instrumentos, a falha de equipamentos, os fenômenos internos ao processo, como as reações endotérmica e exotérmica.

Quanto ao local onde os distúrbios podem ocorrer, tem-se:

1. de demanda, ocorrido na saída do processo,

2. de suprimento, na entrada do processo,

3. de operação, com variação do ponto de ajuste.

4. Quanto ao formato da onda, o distúrbio pode ser classificado como:

5. tipo degrau, quando a variação é instantânea de um nível a outro e depois fica constante. A resposta de um sistema a um degrau é a

resposta ao transiente.

6. rampa, quando a variação segue uma reta inclinada. Quando a inclinação da reta aumenta muito, o distúrbio tipo rampa passa a tipo degrau,

7. senoidal, variando ciclicamente segundo uma senóide,

8. pulsos, quando a duração do degrau é pequena e cíclica.

Normalmente o pulso é retangular; às vezes, o trem de pulsos é deformado e se comporta como um sinal senoidal

9. aleatório, quando não se enquadra em nenhum caso anterior.

(a) Degrau (b) Pulsos (c) Rampa (d) Impulso (e) Senoidal

Fig. 2.9. Formatos dos distúrbios de processo

Quando há um distúrbio na entrada do processo, há uma correspondente

alteração na saída do processo. O tipo de resposta depende basicamente do tipo do distúrbio e das características dinâmicas do processo. Para a determinação do desempenho do sistema de controle em frequência mais elevada, estuda-se o comportamento da resposta, aplicando-se na entrada uma variação senoidal. Estas simulações de sinais não se afastam muito do processo real, pois a maioria dos distúrbios de um processo pode ser considerada uma combinação das variações degrau e senoidal.

A temperatura do tanque aquecido pela serpentina com vapor depende de:

1. quantidade de vapor

2. qualidade do vapor (P, T e %) 3. nível do produto no tanque 4. tipo do produto que entra

5. temperatura do produto de entrada 6. estado da serpentina

7. temperatura ambiente

8. tipo de reação que ocorre dentro do tanque (exotérmica ou endotérmica) 9. ponto de ajuste do controlador 10. etc.

Fig. 2.10. Terminologia de medição e controle

Variável não controlada _{TC TT} TE Variável controlada Temperatura ambiente Carga Saída Vapor Variável manipulada Produto Distúrbio Condensado t t t h t θ

Neste sistema,

1. a temperatura é a variável controlada e portanto é medida, 2. a variável sentida é a pressão do

sistema de enchimento termal 3. a variável manipulada é a vazão de

entrada de vapor na serpentina 4. a temperatura ambiente pode afetar

a temperatura do produto, mas é não controlada

5. a saída do produto é a carga do processo

6. pode haver distúrbio afetando o produto de entrada ou o produto dentro do tanque.

2.6. Grau de Liberdade e Variáveis

O parâmetro associado a quantidade ótima de controladores em um sistema é o grau de liberdade, definido como a

diferença entre o número de variáveis e o número de equações independentes entre as variáveis. O número de controladores automáticos atuando independentemente em um sistema ou parte do sistema não pode exceder o número do grau de liberdade.

Quando o número de controladores é menor que a diferença entre o número das variáveis controladas e o das equações independentes, é possível se controlar o processo, porém, o controle é insuficiente. Existem variáveis que não são controladas e podem afetar a eficiência do sistema global.

Porém, quando o número de

controladores usados é igual ou maior que a diferença entre das variáveis e o número de equações matemáticas que existem entre as variáveis, o sistema é contraditório e não é possível se conseguir um controle. Os controles se anulam ou então, o

controle de uma variável torna impossível o controle de outra variável.

80 a 90% das malhas de controle de uma planta são projetadas, instaladas, sintonizadas e operadas com grande sucesso usando-se a técnica simples da realimentação negativa. Os restantes 20 a 10% dependem de técnicas mais

avançadas de controle. Isto pode parecer uma pequena percentagem do total, porém as poucas malhas críticas podem provocar a parada da planta.

Um estudo mais profundo, para a determinação das variáveis a serem controladas, a partir das equações que governam o processo, está além do objetivo desse trabalho.

No documento ControleProcesso (páginas 35-38)