Baixe Introdução à Teoria de Controle: Sistemas de Controle do Nível 1 e outras Resumos em PDF para Engenharia Civil, somente na Docsity!
Bacharelado em Engenharia Aeronáutica
Introdução à Teoria de Controle
2º Semestre de 2022
Aula 07 - Controle por Realimentação
1
Aula 07 - Controle por
Realimentação
• Roteiro:
– Objetivos do controle de processos
– Sistemas de controle do nível 1
– Malha aberta e malha fechada
– Requisitos de operação
– Estratégias de controle em malha fechada
2
- Os sistemas de controle servem para atuar nos processos de tal forma que os comportamentos desses processos atendam aos requisitos de projeto.
- Tais requisitos podem dizer respeito a objetivos em escalas de tempo diferentes e de complexidades variadas Podem ser distribuídos em diferentes níveis de controle.
- A figura a seguir (“Pirâmide da Automatização”) apresenta um possível esquema de níveis de controle para sistemas industriais, considerando: ─ escala de tempo da operação (tempo de execução da tarefa, objetivo ou requisito operacional), e ─ número de unidades de controle (complexidade do objetivo de controle). 3
Objetivos do Controle de Processos
4
Objetivos do Controle de Processos
- A pirâmide apresentada é geral; na prática, os processos podem usar mais ou menos camadas de controle, dependendo da complexidade e do nível de automatização.
- Exemplo 67 – unidade de fermentação, parte de uma planta industrial de produção de etanol. ─ Fermentação do caldo concentrado de cana-de-açúcar para produção de vinho. ─ Controle em quatro níveis. 7
Objetivos do Controle de Processos
8
Objetivos do Controle de Processos
─ Nível terciário – plano de produção. Requisitos relativos às quantidades de litros de etanol e de vinho a ser produzidas em cada safra (período de aproximadamente 200 dias). Requisitos econômicos: valor de venda por litro, preços de ingredientes, etc. As quantidades e características de processamento são repassadas como sinais de referência para o nível 2 (também para outras unidades além das fermentadoras). ─ Nível secundário – dinâmicas de cada fermentador. Requisitos operacionais dos subsistemas (trocador de calor, válvulas, bomba d’água, etc.): regiões de operação e objetivos de produção a cada hora. Os valores de nível, temperatura e PH desejados são enviados por meio de sinais de referência para o nível 1. 9
Objetivos do Controle de Processos
─ Nível primário – sistemas individuais de baixo nível (vazão de água, fluxo de ácido, fluxo de caldo, controle de temperatura, controle de nível, etc.). Cada um dos sistemas de controle local possui seus objetivos, especificações operacionais e requisitos, que são definidos pelas referências recebidas do nível superior e pelas exigências de operação. ─ Nível zero – instrumentos usados no fermentador, como sensores de nível, sensores de vazão, sensores de PH, atuadores (válvulas e bombas) e sistemas de hardware para comunicação entre instrumentos, atuadores e dispositivos de controle. 10
Objetivos do Controle de Processos
- A resposta (saída) de um processo y(t) é dependente do modelo do processo (da sua EDO ou EaD) e do tipo de sinal u(t) que é aplicado (da forma do sinal no tempo). O projeto de uma lei de controle por realimentação u(t) = f(y(t)) gera sinais de controle que variam ao longo do tempo, dependendo das variações da saída do processo, e que devem ser tais que y(t) cumpra as especificações desejadas. 13
Sistemas de Controle do Nível 1
- Exemplo 69 – aparelho que resfria o ar de um ambiente fechado (ar condicionado). ─ O equipamento deve resfriar o ambiente até que se atinja uma referência de temperatura escolhida pelo usuário. ─ O sistema de controle decide, a cada instante, qual deve ser a potência acionada, conforme mede a temperatura do ambiente (variável de processo). ─ Lógica de atuação: ─ caso a temperatura esteja acima de um valor de referência máximo, a potência é elevada, e ─ caso a temperatura esteja abaixo de um valor de referência mínimo, a potência é reduzida ou desligada. 14
Sistemas de Controle do Nível 1
- O sistema de controle do exemplo atua por meio de uma realimentação de saída, tomando decisões de controle em termos da variável manipulada, com base na medição do sinal controlado, a variável de processo.
- No projeto do sistema, algumas perguntas devem ser respondidas: ─ Que potência elétrica deve ser aplicada em cada situação? ─ Qual deve ser a variação de potência? ─ Qual o efeito dessas variações no tempo que o sistema leva para voltar à condição requerida de operação, após a ocorrência de uma perturbação (variação na temperatura externa ou abertura de uma porta, por exemplo)? 15
Sistemas de Controle do Nível 1
16
Malha Aberta e Malha Fechada
19
Malha Aberta e Malha Fechada
- Os sistemas de controle calculam a ação de controle com base em uma comparação da medição da variável de processo com um sinal de referência, que descreve os requisitos de desempenho.
- Esse sinal é sempre usado em estratégias realimentadas, mas também é usado em implementações de controles antecipativos. 20
Malha Aberta e Malha Fechada
- Exemplo 70 – resfriamento térmico de um ambiente fechado, dois tipos de sistema de controle (antecipativo e realimentado). ─ Sinal de referência: valor de temperatura desejado pelo usuário (Td). ─ Ganho estático que relaciona a potência P (variável manipulada) com a temperatura T (variável de processo) é conhecido: Ke. ─ Esse ganho estático é negativo, pois um aumento na potência provoca redução na temperatura. ─ Controlador pré-alimentado: lei estática com ganho quando o controlador recebe um sinal de referência Td, aplica ao processo No equilíbrio, que é o valor desejado. 21
Malha Aberta e Malha Fechada
─ Controlador realimentado: a comparação entre o sinal de referência e a temperatura da sala é utilizada para definir a potência a ser aplicada a cada instante. A lei de controle é uma função do tipo P = f(T, Td). ─ Exemplo: Como o modelo estático é dado por T = KeP, no equilíbrio: ─ KMF representa o ganho estático de malha fechada, ou seja, fornece a relação entre Td e T. ─ É desejável ter KMF = 1 Deve-se conseguir 22
Malha Aberta e Malha Fechada
25
Requisitos de Operação
26
Requisitos de Operação
- Quando o sistema de controle mantém a estabilidade mas não consegue seguir a referência ou rejeitar a perturbação, o processo apresenta erro de seguimento ou erro de rejeição. 27
Requisitos de Operação
28
Requisitos de Operação
- Outras especificações típicas nos sistemas de controle em malha fechada são relativas ao comportamento transitório desses sistemas.
- Medidas bastante usadas na prática (da variável de processo) que informam o tempo que o processo demora, sob ação do controle, para atingir um ponto bem próximo ao seu valor final de equilíbrio: ─ Tempo de assentamento, quando é imposta uma mudança de referência (tipo degrau). ─ Tempo de rejeição, quando há uma nova perturbação no sistema (tipo degrau). 31
Requisitos de Operação
32
Requisitos de Operação
33
Requisitos de Operação
34
Requisitos de Operação
37
Requisitos de Operação
─ Situação 2 – inicialmente no ponto de operação y = 1. ─ Mudança de referência para outro ponto de operação y = 2, mas o sistema de controle não garante erro de seguimento nulo. ─ Na figura, t5% representa o tempo que y leva para chegar a 95% da variação até seu novo valor de regime, dado por y = 1,. ─ O erro de seguimento é dado com relação a esse ponto final, er = 10%. 38
Requisitos de Operação
39
Requisitos de Operação
─ Situação 3 – inicialmente no ponto de operação y = 1. ─ Aplicada perturbação tipo degrau. ─ Após certo tempo, a variável de processo retorna ao ponto de operação inicial (erro de rejeição nulo). ─ Na figura, o tempo de rejeição de 5%, t5% , é medido com relação ao tempo que a resposta passa pelo ponto mais afastado, dado por y = ym. 40
Requisitos de Operação
