Control Aula03 2sem2011

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custo

Profa_{Ninoska Bojorge}

Metodologia de projetos de

sistemas de controle e automação

Departamento de Engenharia Química e de Petróleo TEQ 102 – Controle de Processos

Aula 03

16 Agosto 2011

Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Projeto (Engineering Design) é o processo de conceber ou

inventar as formas, peças e detalhes de um sistema para

atingir um propósito específico.

Projeto

(2)

• Terceiro nível

– Quarto nível

Planta de Refino Óleo de Palma

3

Introdução

• Terceiro nível

– Quarto nível

Características:

Múltiplas operações unitárias Interações

Perturbações

Constantes de tempo globais são alteradas Reciclo de Massa

Reciclo de Energia

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Por que controlar os processos ?

5 • _{Segurança Operacional} • _{Especificação de produtos} • _{Regulamentações ambientais} • _{Restrições operacionais} • Otimização econômica

Objetivos de um sistema de controle

• _{Suprimir a influência de perturbações externas} • Garantir a estabilidade do processo

• _{Otimizar o desempenho de um processo}

Introdução

• Terceiro nível

– Quarto nível

Introdução

Onde começar?

O que devemos controlar? e por quê?

etc.

Como se projeta um sistema de controle para da planta

química completa?

(4)

• Terceiro nível

– Quarto nível

Alan Foss (“Critique of chemical process control theory”, AIChE Journal,1973):

The central issue to be resolved ... is the determination of control system structure. Which variables should be measured, which inputs should be manipulated and which links should be made between the two sets?There is more than a suspicion that the work of a genius is needed here, for without it the control configuration problem will likely remain in a primitive, hazily stated and wholly unmanageable form. The gap is present indeed, but contrary to the views of many, it is the theoretician who must close it.

Carl Nett (1989):

Minimize control system complexity subject to the achievement of accuracy specifications in the face of uncertainty.

7

Introdução

• Terceiro nível

– Quarto nível

Projeto da estrutura de controle

Não se enfoca ao ajuste e comportamento de cada malha de controle,

Mas sim, com a filosofia do controle da planta geral, com ênfase nas decisões estruturais:

Seleção de variáveis controladas (“Saídas") Seleção de variáveis manipuladas (“Entradas") Seleção de (extra) medições

Seleção de configuração de controle (estrutura do controlador geral, que interliga as variáveis controlada, manipuladas e medidas)

Seleção do tipo de controlador (PID, LQG, H-infinito, desacoplado, MPC, etc.)

Ou seja: O Projeto de controle inclui todas as decisões que se precisam fazer para obter o "controle PID eficiente"

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Processos de uma planta química é composta por unidades de processamento em série:

unidades a jusante são influenciados pelas unidades a montante unidades a montante também pode ser influenciado por unidades a jusante

o controle de um processo "de uma passagem" é bastante simples. Há interação entre variáveis que afetam o desempenho dos

equipamentos:

Sistemas de reciclo mássico são muitas vezes necessários levando a sérias interações,

Integração de calor aumenta a complexidade. Controle Plant Wide

9

Controle Plant Wide

• Terceiro nível

– Quarto nível

Aumentar a conversão

Especialmente para reações reversíveis onde a

conversão é limitada pelo equilíbrio

Melhorar a economia

reatores de baixa conversão com reciclo são mais barato

comparado a um único reator ou reatores em série com a

conversão necessária.

Razões para Reciclagem de materiais

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• Terceiro nível

– Quarto nível

Melhorar o rendimento

Para a reação A ---> B --- C, com B como o produto

desejado

• As conversões devem ser mantidos baixas para que

menos C seja produzido.

Fornecer dissipador térmico

Para reação fortemente exotérmica com dificuldades em

fornecer refrigeração suficiente. Precisa de mais material

para absorver o calor.

11

Razões para Reciclagem de materiais

Controle Plant Wide

• Terceiro nível

– Quarto nível

Para melhorar a eficiência termodinâmica do processo,

conduzindo à redução de custos de utilidades

Recuperação de calor da reação exotérmica

Recuperação de calor do vapor na sobrecarga da coluna

de destilação.

Estrutura complexa, leva a problema não-trivial de controle.

Processos de trocadores de calor

Integração energética

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Responde às seguintes perguntas:

1) Que variáveis devem ser controladas, medidas e manipuladas? 2) Como interconectar estas variáveis

Principalmente :

Como definir uma estrutura de controle?

Controle Plant Wide

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• Terceiro nível

– Quarto nível

Trabalhos anteriores sobre o controle plantwide

Page Buckley (1964) - Chapter on “Overall process control” (still industrial practice)

Greg Shinskey (1967) – process control systems Alan Foss (1973) - control system structure

Bill Luyben et al. (1975- ) – case studies ; “snowball effect” George Stephanopoulos and Manfred Morari (1980) – synthesis

of control structures for chemical processes

Ruel Shinnar (1981- ) - “dominant variables”

Jim Downs (1991) - Tennessee Eastman challenge problem Larsson and Skogestad (2000): Review of plantwide control

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• Terceiro nível

– Quarto nível

Uma configuração de controle é a estrutura do controlador que interconecta as variáveis controladas e as variáveis manipuladas. O controlador pode ser estruturado (decomposto) em blocos tanto de forma hierárquica (vertical) quanto descentralizada (horizontal).

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Controle Plant Wide

Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível • Terceiro nível – Quarto nível Simplificação principais: estrutura hierárquica Necessidade de definir objetivos e identificar as principais questões

para cada camada

PID RTO

MPC (Otimização em tempo real)

(Controle Preditivo Multivariável)

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

17

1) Envolve menos cálculos. Atualmente, as plantas têm informações centralizadas e poder computacional abundante,

2) Minimizar a tolerância a falha,

3) O controle decomposto explora a facilidade de unidades locais rejeitarem rapidamente perturbações.

4) A mais importante é provavelmente a redução do custo envolvido em definir o problema de controle, e estabelecer um modelo dinâmico detalhado, necessário em controle centralizado.

5) Os sistemas são menos sensíveis a incertezas no modelo (pois não usam modelos explícitos).

Porque decompor um controlador?

Controle Plant Wide

• Terceiro nível

– Quarto nível

Controle Regulatório (segundos)

Objetivo: "estabilizar" a planta, controlando as variáveis secundárias selecionadas' (y2) de tal forma que a planta não opere com desvio demasiado longe de sua operação desejada

Simples uso de uma malha de controle PI(D) Status: Malhas mal sintonizadas.

Configuração mais comum: Kc=1, τI=1 min (default)

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• Terceiro nível

– Quarto nível

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Com um controle mais eficiente tem-se:

• um menor desvio padrão na saída

• uma maior proximidade entre o set-point e a especificação

• uma maior otimização

Controle menos eficiente Controle mais eficiente

SP

especificação

SP

especificação

Eficiência do Sistema de Controle

• Terceiro nível

– Quarto nível

Controle Regulatório ...

Tendência: Pode ser melhor!. Cuidado ao sintonizar malhas importantes

usando procedimento padronizado de ajuste. Existem vários métodos de sintonia:

Método de Ziegler-Nichols

Método de Cohen-Coon

Método de Relê em malha fechada

Método da Integral da função de erro ou de índices de desempenho

(ITAE, ISE e ITSE)

Método da Síntese Direta

Método do Lugar geométrico das raízes

Métodos no domínio da frequência

Questão: Quais serão as malhas fechadas, ou seja, quais variáveis (y2) devem-se controlar?

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Controle Supervisório (minutes)

Sistema Supervisório: É um sistema que recebe informações de diversos

“devices” (instrumentos), com possibilidade de monitorar, controlar, manter e operar uma planta industrial. Incorporam funções de controle supervisório, tais como: comando de atuadores de campo, monitoração de dados de processo, controle contínuo, controle em bateladas e controle estatístico, além de alarmes de condições e estado de variáveis de processo, emissão de relatórios e aquisição de dados

Objetivo: Atualiza o set-point das variáveis primárias (c=y1) ou controladores que controlam efetivamente o processo, usando o grau de liberdade dos sp (y2s) da

camada regulatória.

Status: diversos e diferentes controladores "avançado" incluindo feedforward,

desacoplados, cascatas, seletores, Preditores Smith, etc questões:

Quais variáveis de controle pode mudar devido a mudança de restições? Interações e emparelhamento

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• Terceiro nível

– Quarto nível

Controle Supervisório …...

Tendência: Controle por Modelo preditivo (MPC) usado como ferramenta

unificada.

Modelos lineares multivariáveis com restrições de entrada Sintonia (modelagem) é demorado e caro

Problema: Quando empregar o MPC e quando usar controladores simples descentralizada ?

MPC é preferido se as restrições ativas mudam ("gargalo"). Evita a reconfiguração de malhas

Questão:

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Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível • Terceiro nível – Quarto nível Otimização Local (horas)

Objetivo: Minimizar o custo da função objetivo J e:

Identificar as restrições

Re-computar os setpoints ótimos y1spara as variáveis controladas

Status: Feito manualmente pelos operadores mais capacitados e engenheiros

Tendência: otimização em tempo real (RTO) baseado no modelo estacionário

Questões:

Otimização não confiável.

Necessidade modelo em estado estacionário não-linear A modelagem é demorada e cara

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Objetivos das etapas: MV’s e CV’s

c

_s

= y

_1s MPC PID

y

_2s RTO

u (vávula)

CV=y

₁

; MV=y

_2s

CV=y

₂

; MV=u

Min J (econômico);

MV=y

_1s

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Em resumo: Três etapas

Etapa de Otimização (RTO; modelo estacionário não-linear):

• Identificas as restrições e calcula os setpoints ótimos das variáveis primarias controladas (y1).

Controle Supervisório (MPC; modelo linear c/ restrições ):

• Segue setpoints para y1(usualmente constantes) pelo ajuste dos setpoints das variáveis secundarias (MV=y2s)

Controle Regulatório (PID):

• Estabiliza a planta e evita desvios, além de seguir referências para y2. MV = válvulas (u).

Exemplo: andar de bicicleta:

Controle Regulatório :

• Primeiro precisamos de aprender como estabilizar a bicicleta

Controle Supervisório :

• Logo você precisa seguir uma estrada. Normalmente uma boa política de setpoint constante é ficar , por exemplo, y1s= 0,5 m do lado direito da estrada (neste caso a

"mágica" da variável otimizada é a variável y1 = distância ao lado direito da estrada)

Otimização:

• Qual caminho (rota) se deve seguir?

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• Terceiro nível

– Quarto nível

Leis de Murphy

Tudo que pode dar errado vai dar errado.

Deixadas a si mesmas, as coisas tendem a ir de mal a pior. Nunca ninguém consegue, só por si, fazer as coisas suficientemente bem.

Se tudo parece estar indo bem, você obviamente esqueceu algo. Tudo leva mais tempo do que você pensa.

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• Terceiro nível

– Quarto nível

O Engenheiro de Processos Químicos baseia-se na modelagem de sistemas de diversas naturezas, analisando o seu comportamento dinâmico, e usando a teoria de controle para calcular os

parâmetros de um controlador que faça o sistema evoluir da forma desejada, e adaptativa às mudanças dos principais elementos sob controle.

27 Controle de Processos (Regulatório)

Clique para editar os estilos do texto mestre Segundo nível • Terceiro nível – Quarto nível Principais Etapas no Desenvolvimento de Sistemas de Controle Formular Objetivos de Controle Informações de plantas existentes Objetivos de Gerenciament o Desenvolvimen to do Modelo do Processo Escolher a Estratégia de Controle Selecionar o hardware de controle Dados de Plantas Existentes Simulação Computacional Simulação Computacional Informações do mercado de hardware Princípios Físico-Químicos Teoria de Processos de Controle Informações de plantas existentes Instalação do Sistema de Controle Ajuste dos Parâmetros do Controlador Sistema Final de Controle

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Dado um processo, como projetar um sistema de controle feedback?

Três etapas:

Modelagem: Obter a descrição matemática do sistema. Análise: Analisar as propriedades do sistema.

Projeto: Dado um process, projetar um controlador com base nas

especificações de desempenho

.

O curso TEQ 102 – Controle de processo abrange cada uma dessas etapas seqüênciais

.

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• Terceiro nível

– Quarto nível

A base para a análise de um processo é

fornecida pela teoria de sistemas lineares, a que

pressupõe uma relação de causa-efeito para os

componentes de um processo.

Principais Etapas no Desenvolvimento de Sistemas de Controle

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• Terceiro nível

– Quarto nível

Estabelecer os objetivos do controle

Identificar as variáveis a ser controladas

Definir as especificações

Estabelecer as configurações do sistema

Obter um modelo do processo, atuador e sensor

Definir o controlador e selecionar parâmetros chaves para ser ajustados

Otimizar os parâmetros e analisar o desempenho se o desempenho não atende as especificações,

então iterar a configuração. se o desempenho as especificações, então concluir o projeto.

(1) Estabelecer metas, as variáveis a serem controladas, e especificações.

(2) Definição do sistema e modelagem

(3) Projeto do sistema de controle, simulação e análise.

31 Principais Etapas no

Desenvolvimento de Sistemas de Controle

• Terceiro nível

– Quarto nível

Sistema de Controle: Conjunto formado pelo sistema a ser controlado

e o controlador.

PROBLEMA DE CONTROLE

Determinar uma forma de afetar um dado sistema físico para que ele atenda às especificações de desempenho previamente estabelecidas. Este objetivo é normalmente atingido, mediante o projeto e

implementação de controladores (em alguns casos também chamados de compensadores).

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

Sistema de Controle

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A função do sistema de controle é

manipular

a relação

entrada/saída

(de energia ou material) de maneira que as

variáveis de processo

sejam

mantidas

dentro de

limites

previamente

estabelecidos

.

Sendo assim, o sistema de controle regula a variável de

interesse (Variável Controlada ou Variável de Processo –

PV), atuando em outras variáveis relacionadas ao

processo (Variável Manipulada – MV).

• Terceiro nível

– Quarto nível

Sistema de Controle

Tomaremos como exemplo padrão, para demonstração de conceitos que serão apresentados a partir de agora, um trocador de calor, equipamento industrial onde dois fluidos trocam calor entre si.

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• Terceiro nível

– Quarto nível

35

A temperatura do fluido frio na saída (Fluido Aquecido) será nossa variável controlada (PV),

Enquanto a vazão de entrada de fluido quente (Vapor) será nossa variável manipulada (MV).

Sistema de Controle

• Terceiro nível

– Quarto nível

Neste caso, o controle em malha aberta implica em, com base em conhecimentos prévios (manuais de operação, curvas, tabelas, experiência do operador), regular a válvula para que a vazão de fluido quente (MV) circulando no trocador seja suficiente para garantir que a PV atenda as especificações.

O controle em malha aberta implica em, com base em conhecimentos prévios (manuais, curvas, tabelas), determinar a abertura da válvula (posição do atuador) para que a temperatura do fluido aquecido, na saída, atinja as especificações. Porém, se o sistema sofrer o efeito de qualquer perturbação, como, por exemplo, uma variação na temperatura de entrada de um dos fluidos, a temperatura do fluido aquecido, na saída, sofrerá os efeitos desta variação, saindo de especificação.

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

37

Para corrigir distorções causadas por eventuais perturbações, seria necessário que o operador re-avaliasse a temperatura de saída do fluido aquecido e determinasse uma nova condição de abertura da válvula.

Neste caso, o operador faria o papel de fechar a malha, ajustando,

constantemente, a posição da válvula, em função da avaliação da saída, quando comparada com o valor desejado.

Outra desvantagem do controle em malha aberta é a sobrecarga de trabalho desinteressante, repetitivo e desgastante para o operador. Estes fatores estimulam o operador a ser conservativo, operando em uma região mais segura, que, na maioria das vezes, é menos econômica.

Sistema de Controle

• Terceiro nível

– Quarto nível

Para eliminar tais problemas, pode-se medir a variável importante para o processo (PV) e implementar um controle automático em malha fechada, também conhecido com controle por realimentação (feedback control).

Com o sistema em malha fechada surge a figura do controlador, que compara o valor desejado (Set Point - SP) com o valor medido, e se houver um desvio entre estes valores, envia um comando para a válvula (atuador) de maneira a atuar sobre a MV. Desta maneira, o controle em malha fechada mantém a PV no SP, compensando as perturbações externas e mesmo

algumas não-linearidades do sistema.

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• Terceiro nível

– Quarto nível

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O papel do operador passa a ser; definir o SP e acompanhar o processo, eventualmente reajustando o SP e os parâmetros do controlador (sintonia). Sistema de Controle

• Terceiro nível

– Quarto nível

Filosofia básica de controle.

Define os instrumentos e a disposição física destes ao longo da planta.

Estratégia de Controle

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Segundo nível

• Terceiro nível

– Quarto nível

41 Em função das características intrínsecas de cada planta, processo ou

malha que se deseja controlar, diferentes estratégias podem ser adotadas com relação ao posicionamento do controlador na malha. Dentre elas, podemos citar como principais:

Controle realimentado (Feedback); Controle em Cascata;

Controle Feedforward (ou antecipativo, ou antecipatório); Controle Desacoplado;

Controle Override (ou seletivo, ou com restrições); e, Controle utilizando split-range.

• Terceiro nível

– Quarto nível

TIPOS DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE A) Realimentação (Feedback)

- A correção é feita pelo aparecimento de um erro (desvio) da variável de processo.

Ex.: Dirigir um carro através de um espelho retrovisor.

B) Antecipação (Feedforward)

- Tomada de decisão da correção pelo aparecimento de um desvio em outras variáveis de operação (que não a variável controlada).

Ex.: Dirigir um carro através das placas de sinalização.

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• Terceiro nível

– Quarto nível

TIPOS DE ESTRATÉGIA DE CONTROLE C) Cascata

- Baseia-se no conceito de realimentação atuando em cascata via instrumentação adequada.

Ex.: Dirigir um carro utilizando mais de um espelho retrovisor. D) Desacoplamento

- Aplicado a processos onde se controla mais de uma variável e existe forte interação entre estas.

- Baseia-se na eliminação da influência de uma variável sobre a outra. Ex.: Dirigir um carro usando o celular com viva-voz.

Cada um destas metodologias veremos com detalhes nas próximas aulas