Estratégias de Controle em Processos Industriais: Análise e Simulação

Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 1 ESTRATÉGIAS DE CONTROLE ANÁLISE E SIMULAÇÃO Resumo Neste texto as estratégias de controle mais empregadas na indústria são analisadas Para cada caso discorrese sobre aplicabilidade vantagens desvantagens bem como aspectos ligados a estabilidade do sistema resultante Finalmente através da ferramenta SmulinkMatlab simulase o funcionamento de cada uma destas estratégias e apresentase os resultados 1 Introdução Denominase Estratégias de Controle as diversas técnicas empregadas visando controlar ou otimizar um processo industrial Apesar de cada processo ter suas características próprias algumas soluções de controle frequentemente empregadas tornaramse clássicas sendo normalmente citadas e conhecidas por seus nomes em textos sobre controle de processos ou catálogos e manuais de instrumentação Neste texto examinaremos algumas destas configuração clássicas de controle 2 Controle em cascata A saída de um controlador pode ser usada para manipular o valor de referência set point de outro controlador Dizse então que os dois controladores estão em cascata Cada controlador recebe o sinal de sua variável de processo específica mas somente o controlador primário possui valor de referência independente e apenas o controlador secundário possui saída para o processo Veja a figura 1 Figura 1 Diagrama de blocos de um controle em cascata Controlador primário Processo Secundário Processo Primário SensorTransm SensorTransm Ref Ref Variável manipulada Controlador secundário Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 2 Um controle em cascata separa o processo em duas partes cada uma delas supervisionada por seu próprio controlador Por um lado a variável manipulada o controlador secundário e sua medição constituem uma malha fechada dentro da malha primária e consequentemente o controlador primário enxerga a malha do secundário como parte do processo a ser controlado Já o controlador secundário sente a ação do controlador primário como um distúrbio externo Na figura 2 está representado o diagrama de controle de um trocador de calor empregando o controle em cascata A malha secundária é constituída pelo transmissor de vazão que envia sinal para o controlador secundário o qual fornece o sinal de controle para a válvula na linha de vapor Na malha primária o sensor de temperatura envia sinal para o controlador primário cuja saída vai alterar o ponto de equilíbrio da malha secundária Figura 2 Trocador de calor empregando controle em cascata A tarefa do controlador secundário é manter constante a vazão de vapor no valor definido pelo controlador primário Assim distúrbios na malha secundária deverão ser corrigidos rapidamente antes que eles possam influenciar a variável primária no caso a temperatura de saída da água Portanto a condição indispensável para que seja possível a implementação do controle em cascata é que a malha secundária seja bem mais rápida que a primária Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 3 O controle em cascata é recomendado em situações em que existe um grande retardo de tempo entre uma mudança na variável manipulada e o seu efeito na variável controlada No processo da figura 2 quando ocorrer alguma variação na temperatura uma quantidade considerável de vapor tem de passar pela válvula para que a temperatura na saída comece a variar porque primeiro o calor tem de ser transferido do vapor para o trocador e em seguida deste para o processo O calor fornecido ao trocador pelo vapor continuará elevando a temperatura da água bastante tempo após a correção ter sido efetuada Assim se a saída do controlador primário for conectada diretamente a válvula de vapor o retardo de tempo inerente a este processo associado a distúrbios ocorridos na própria linha de vazão de vapor de aquecimento podem provocar a oscilação da variável controlada em torno de seu ponto de ajuste ou retardos inaceitáveis no seu tempo de estabilização 21 Vantagens As vantagens decorrentes do controle em cascata estão relacionadas abaixo Distúrbios ocorridos na malha secundária são corrigidos pelo controlador secundário antes que eles possam alterar a variável primária sendo portanto transparentes para o controle primário Menor tempo de estabilização em relação ao controle simples As variações de ganho na parte secundária do processo são corrigidas dentro do seu próprio loop A malha secundária permite que o controlador primário faça uma manipulação precisa do fluxo de massa ou energia empregados como variável manipulada 22 Simulação do controle em cascata A figura a seguir mostra o diagrama de simulação para o controle em cascata A constante de tempo do processo primário foi ajustada 10 vezes a do processo secundário para fazer a malha secundária bem mais rápida que a primária Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 4 Figura 3 Controle em Cascata Diagrama de simulação Nas figuras seguintes aparecem a variável controlada em resposta a um distúrbio degrau 10 na malha secundária com controle em cascata 4A e a variação na variável controlada sem utilização do controle em cascata 4B As figuras evidenciam a eficácia do controle em cascata com controle em cascata a variação na variável controlada foi da ordem de 10 vezes menor Figura 4A Variável controlada c controle em cascata Figura 4B Variável controlada sem cascata Outro aspecto interessante ligado ao controle em cascata é a questão do ganho da malha secundária Considere que em torno de uma frequência de interesse o ganho do controlador secundário é igual a K2 Neste caso a função de transferência Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 5 da malha secundária é G2s K2G21 K2G2 Então Se K2 for muito grande G2s se aproxima de 1 e neste caso a dinâmica da malha secundária desaparece da resposta temporal do sistema Este é um resultado desejável pois irá baixar a ordem da função de transferência do sistema resultando numa margem de estabilidade maior Para esta situação a sensibilidade do sistema a variações de parâmetros será fornecida por K G ST G 1 1 1 1 Portanto a robustez do sistema poderá ser incrementada aumentandose também o ganho K1 do controlador primário 3 Controle de proporção Controlar dois ou mais fluidos numa proporção ajustável bem definida é um problema frequente em processos industriais Uma aplicação típica é a necessidade de misturar gases comburentes para queima em fornos ou caldeiras Num sistema de controle de proporção a variável a ser controlada é a relação K entre duas variável medidas X e Y K X Y O controle num sistema deste tipo é obtido manipulandose uma das variáveis enquanto a outra permanece sem controle O controle desta variável é feito porém em outra malha de controle independente da malha de ajuste de proporção A maneira óbvia de fazer um controle de proporção entre X e Y seria calcular a relação K entre as duas variáveis e entrar com este valor em um controlador como mostra a figura 5 Esta configuração entretanto não deve ser adotada A figura 5 mostra um divisor FX dentro da malha de controle resultando em duas situações possíveis Se X for a variável manipulada o ganho da malha de controle irá mudar em função da variável sem controle Y porque Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 6 Figura 5 Controle de proporção empregado de maneira incorreta bloco ajustador dentro da malha de controle Se inversamente a variável manipulada for Y teremos um sistema não linear uma vez que o ganho irá mudar em função da saída do controlador Estes dois problemas poderão ser evitados se a relação for calculada fora da malha de controle como mostra a figura 6 Neste caso o valor de Y multiplicado pelo fator de proporção K ajustável entra como valor de referência para a malha de controle de X ou seja R K Y Se inversamente a variável controlada for Y R X K Na configuração da figura 6 uma das variáveis AR é controlada enquanto a outra GÁS multiplicada por um fator ajustável K é empregada para gerar a referência da malha de controle da vazão de ar Observe que o ajustador de proporção é colocado fora da malha de controle Y dX X Y d dX dK GANHO 1 Y K Y X dY X Y d dY dK GANHO 2 Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 7 Figura 6 Controle de proporção na configuração correta bloco ajustador de proporção fora da malha de controle Sistemas de ajuste de proporção são comumente empregados em controle de combustão para manter constante a relação arcombustível ou em estações de mistura de gases ou ainda no controle da vazão de vários ingredientes a serem combinados em um reator Nesta última aplicação várias vazões são individualmente relacionadas a uma única vazão independente permitindo que a produção seja variada atuandose em apenas uma única variável mestre 31 Simulação do controle de proporção O diagrama simulink da figura 7 permite simular as situações que ocorrem num controle de proporção Figura 7 Controle de proporção implementado de maneira incorreta Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 8 Figura 8A Controle de proporção maneira incorreta Figura 8B Controle de proporção maneira correta Na figura 8A uma variação aleatória com média zero simula a variável sem controle Como pode ser visto eventualmente a variável controlada diverge amplamente caracterizando uma situação de instabilidade No caso da figura 8B a variação aleatória que representa a variável sem controle tem média igual a 10 Neste caso a variável controlada consegue acompanhar a variável sem controle 4 Cascata paralelo Na figura 9 está representado um sistema de controle de combustão onde a vazão de ar e combustível deve variar em proporção constante em função de um sinal de demanda Neste caso a vazão destas duas variáveis é alterada não em função de uma delas mas sim em função de uma terceira variável a temperatura cujo controle é o objetivo final do sistema Um sistema deste tipo onde um controlador primário envia sinal para várias malhas secundárias ao mesmo tempo é conhecido como cascata paralelo sendo muito empregado em controle de combustão como é o caso do sistema mostrado na figura 9 Figura 9 Cascata paralelo num controle de combustão Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 9 Quando houver uma variação no valor da temperatura desejada ou uma variação na temperatura interna do forno o controlador de temperatura envia em paralelo para os controladores de vazão de ar a gás um sinal de ajuste No ajustador de proporção FX o sinal de temperatura é multiplicado por uma constante K cujo valor é ajustável A finalidade deste ajuste é possibilitar que haja um excesso de vazão de ar em relação a vazão de gás Tal excesso é necessário pois como a mistura do ar e gás nunca é completa caso seja ajustada a relação estequiométrica uma parcela do gás sairá pela chaminé sem ser queimado Um excesso de ar em relação ao gás garante a queima completa do gás 41 Simulação do cascata paralelo A figura 10 apresenta o diagrama utilizado para simular o funcionamento de um cascata paralelo Nas figuras 11A e 11B respectivamente vazão de ar e vazão de combustível e vazão de ar menos vazão de combustível Observe na figura 11B que o excesso de ar em relação ao combustível não é garantido pelo sistema Figura 10 Cascata paralelo Diagrama de simulação Figura 11A Vazão de ar e vazão de combustível Figura 11B Vazão de ar menos combustível Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 10 5 Rendimento num processo de combustão A figura 12 a seguir mostra como variam as perdas em função da relação arcombustível num sistema de combustão A curva da esquerda é referente as perdas devido a combustível não queimado e a curva da direita as perdas devido a excesso de ar A perda total num processo de combustão é a soma das duas curvas A terceira curva linha tracejada mostra o rendimento No eixo horizontal são marcados diferentes valores da relação ar combustível 1 significa que nenhum excesso de ar foi ajustado valor teórico Pela figura podemos observar que a região de rendimento ótimo situase entre 102 a 110 Além disto se não for possível trabalhar nesta faixa é preferível que haja excesso de ar por dois motivos O crescimento da curva de perdas devido a excesso de ar é menos abrupto do que da curva de perdas devido a combustível não queimado Falta de ar com geração de fumaça preta polui o meio ambiente Além dos aspectos éticos isto pode resultar em pesadas multas para a empresa Figura 12 Relação entre excesso de ar e rendimento num processo de combustão Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 11 6 Limites cruzados simples Para que uma combustão ocorra sem desperdício de combustível duas condições devem ser atendidas pelo sistema de controle Em primeiro lugar é necessário que a relação ar combustível seja ajustada de modo a propiciar sempre um excesso de ar em relação a proporção teórica determinada a partir das equações químicas que descrevem o processo de combustão Adicionalmente é preciso que o valor da relação arcombustível ajustado permaneça sempre inalterado em qualquer situação Portanto é necessário que haja um excesso de ar e este excesso não deve variar com alterações de demanda Observando o sistema de controle da figura 10 verificamos que um excesso de ar é facilmente obtido atuandose no ajustador de proproção FX Acontece porém que o tempo de resposta das malhas de ar e combustível nunca é exatamente igual Por isto quando houver uma variação de demanda devido aos diferentes tempos de resposta dos dois controles haverá uma alteração na proporção arcombustível ajustada Caso o excesso de ar aumente o ar que sobra na reação de combustão irá levar calor embora através da chaminé e se houver falta o combustível não será queimado completamente Como já discutido em ambos os casos haverá queda no rendimento do sistema Podese tentar resolver o problema da falta de ar fazendo com que a malha de vazão de ar responda mais rápido que a de combustível No entanto isto só resolve o problema na situação de aumento de demanda quando as duas válvulas devem abrir pois no caso de diminuição a vazão de ar irá cair mais depressa que a de combustível ocasionando falta de ar na reação de combustão Um sistema de controle que mantenha sempre um excesso de ar tanto na abertura quanto no fechamento das válulas está mostrado na figura 13 Esta configuração clássica de controle é denominada LIMITES CRUZADOS SIMPLES LCS sendo muito empregada em sistemas de controle de combustão O controle representado na figura 13 é para um combustível apenas mas o mesmo princípio pode ser empregado em sistemas de combustão mais complexos que empregam vários combustíveis simultâneamente Figura 13 Limites cruzados simples Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 12 61 Funcionamento do LCS O sistema de controle é basicamente um cascata paralelo ao qual foram acrescentados dois seletores de sinal um seletor de MAIOR e um seletor de MENOR Estes seletores recebem dois sinais de entrada e selecionam como saída o maior ou o menor deles Quando houver um aumento da carga térmica com conseqüente queda da temperatura interna do forno o sinal de saída do controlador indicador de temperatura TIC irá aumentar Este sinal passará no seletor de MAIOR e irá atuar no valor de referência do controlador de vazão de ar FIC O sinal de vazão de ar aumentado é comparado com o sinal aumentado do TIC no seletor de MENOR e o menor deles vai alterar o valor de referência do controlador da vazão de combustível FIC no sentido de aumentar a vazão Esta dinâmica de realimentação positiva continua até que o sistema atinja seu novo ponto de equilíbrio Assim vemos que inicialmente aumentou o ar e posteriormente o combustível e foi o aumento da vazão de ar que liberou o aumento do valor de referência para o controlador da vazão de gás Portanto somente com a variação efetiva da vazão de ar é que o combustível irá variar Numa diminuição da carga o funcionamento é similar Neste caso o sinal diminuido do TIC vai ser selecionado primeiro no seletor de MENOR e vai atuar no valor de referência do FIC de combustível diminuindo sua vazão O sinal de vazão de combustível diminuido vai ser comparado no seletor de MAIOR com o sinal do TIC também diminuido O maior dos dois mas menor que o sinal inicial vai diminuir o valor de referência para o controlador de ar diminuindo em seguida esta vazão Novamente verificamos que primeiro diminuiu o combustível e em seguida o ar sendo que foi a queda da vazão de combustível que provocou a alteração no valor de referência da malha de ar Desta forma o excesso de ar fica garantido tanto no aumento quanto na diminuição da carga 62 Simulação do funcionamento do LCS O diagrama simulink da figura 14 permite simular o LCS Uma onda quadrada é aplicada em paralelo as malhas de ar e combustível simulando uma variação na saída do controlador de temperatura Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 13 TIC Um dos gráficos mostra a variação simultânea das vazões de ar e combustível e o outro a diferença entre a vazão de ar e a vazão de combustível Figura 14 Diagrama de simulação do LCS Nas figuras abaixo 15A e 15B podese observar que tanto no aumento quanto na diminuição de demanda a vazão de ar está sempre por cima da vazão de combustível Na figura 15B este aspecto fica evidenciado a vazão de ar menos a vazão de combustível é sempre maior que zero Também podese observar na figura 15B que o LCS não é capaz de manter constante a relação ar combustível durante as variações de demanda Figura 15A Vazão de ar e vazão de combustível Figura15B Vazão de ar menos vazão de combustível 7 Limites cruzados duplo Tratase de um refinamento do limites cruzados simples o qual possui o incoveniente de permitir que durante o regime transiente de variação da carga haja alteração da relação arcombustível ajustada O limites cruzados duplo LCD é obtido acrescentandose ao diagrama de controle da figura 13 mais dois seletores e quatro multiplicadores A figura 16 mostra o diagrama de controle para implementação do LCD 71 Funcionamento do LCD Neste sistema de controle quando o processo está em equilíbrio a saída do controlador de temperatura fornece em paralelo os valores de referência para os controladores de ar e combustível performando um sistema cascata paralelo Em regime transiente as malhas de ar e combustível referenciam mutuamente o valor de sua variável de processo de tal forma que cada uma delas só reage em resposta a variação da outra fazendo com que as válvulas de controle de ar e combustível caminhem juntas dentro de uma faixa onde ar ou combustível não se tornem excessivos Se o sinal de saída do controlador de temperatura Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 14 aumentar muito rápido ele será cortado nos seletores de MENOR até que os sinais das vazões de ar e combustível multiplicados por K1 e K4 se tornem outra vez maiores que o sinal de temperatura Enquanto os sinais de ar e combustível estão selecionados eles incrementam mutuamente os valores de referência de ar e combustível num mecanismo de realimentação positiva que só é interrrompido quando o sinal do controlador de temperatura passa a ser outra vez selecionado interrrompendo o processo O funcionamento para uma diminução brusca do sinal do TIC é idêntico Figura 16 Limites Cruzados Duplo LCD Para melhor compreensão do funcionamento considere que o sistema está inicialmente equilibrado com todos os sinais em 50 Vamos supor também que o valor das constantes K1 a K4 foi ajustado em 10 Nesta situação o valor das correntes será I1 I2 I3 50 I4 I7 5011 55 I5 I6 5009 45 Com este ajuste o sinal selecionado tanto para o ar como para o combustível será I1 50 vindo do TIC Se o sinal na saída do TIC aumentar de um valor maior que 10 por exemplo 70 então ele será cortado nos seletores de MENOR e passarão a ser slelecionados os sinais I4 e I7 55 Estes dois sinais vão Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 15 incrementar os valores de referência das malhas de ar e combustível com consequente aumento das vazões gerando um processo de realimentação positiva que somente será interrompido quando o valor de I1 for atingido Nesta condição I4 e I7 serão cortados entrando novamente o sinal do TIC O funcionamento para a situação de uma diminuição brusca de I1 é idêntico A tabela a seguir mostra a evolução das correntes num LCD quando o sinal na saída do TIC passa de 50 para 70 LIMITES CRUZADOS DUPLO I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 50 50 50 55 45 45 55 70 55 55 605 495 495 605 70 605 605 6655 5445 5445 6655 70 6655 6655 73205 59895 59895 73205 70 70 70 77 63 63 77 70 70 70 77 63 63 77 Tabela 1 Saída do TIC passando de 50 para 70 aumento dos sinais em O limites cruzados duplo mantém a relação ar combustível dentro de uma faixa desejada mas tem a desvantagem de tornar muito lenta a resposta dos sistema em situações de variações bruscas na demanda Por isto ele não é recomendado em aplicações onde uma resposta rápida é importante Devemos observar entretanto que se o valor de K3 for ajustado igual a 100 o de K4 para um valor muito grande e K1 K2 0 teremos outra vez o limites cruzados simples Portanto um procedimento que pode ser empregado é começar ajustando um LCD Caso a resposta dos sistema seja muito lenta ou seja se o sistema não consegue manter a temperatura no valor desejado então reajustase as constantes para operar com um LCS Também é possível fazer o ajuste de K1 a K4 dinâmicamente em função da taxa de variação do sinal de saída do controlador de temperatura Quando esta taxa for elevada as constantes aumentam e o sistema opera como um cascata paralelo de resposta rápida Com este procedimento conseguese resolver o problema do tempo de resposta do LCD Este tipo de controle é denominado Improved double cross limit Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 16 72 Simulação do LCD Para simular o LCD o diagrama do LCS foi modificado conforme mostra a figura 17 O sinal de demanda é ajustado nos três blocos step os quais disparam em instantes diferentes para compor a onda quadrada mostrada na figura 18 As outras duas saídas são novamente ar e combustível figura 19A e ar menos combustível figura 19B Valores de K1 a K4 próximos de 1 produzem uma relação arcombustível com pouca variação porém tornam muito lenta a resposta do sistema figuras 20A e 20B Finalmente as figuras 21A e 21B mostram o resultado quando se ajusta K4 100000 K2 0 e K3 K1 1 Como pode ser observado neste caso teremos novamente o comportamento de um LCS Figura 17 Diagrama de simulação para o LCD Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 17 Figura18 Sinal de saída do controlador de temperatura Figura 19A Vazão de ar e combustível Figura 19B Vazão de ar menos vazão de combustível Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 18 Figura 20A Vazão de ar e combustível Figura 20B Vazão de ar menos vazão de combustível Figura 21A Vazão de ar e combustível Figura 21B Vazão de ar menos vazão de combustível 8 Controle em avanço feed forward Todo sistema de controle que emprega realimentação da saída possui três problemas inerentes são eles A natureza do controle realimentado implica em que deve haver no processo um erro mensurável para que possa ser gerada a ação corretiva Portanto um controle perfeito é impossível uma vez que o sistema trabalha a partir de um erro Um controle realimentado não sabe que saída deve fornecer para cada conjunto de condições assim ele varia sua saída até que medição e valor desejado se igualem Portanto ele resolve o problema do controle pelo processo de tentativa e erro Este é o método mais primitivo de solução de um problema Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 19 Todo controle realimentado possui um período de oscilação característico Se os distúrbios ocorrerem a intervalos menores que aproximadamente três períodos então a estabilização completa da planta nunca é obtida A maneira de resolver um problema de controle sem os incovenientes citados acima é através do emprego de Sistemas de controle em avanço Neste controle os principais fatores que influenciam o processo são medidos e em função de seus valores é gerada a ação corretiva necessária Quando um distúrbio ocorre a ação corretiva começa imediatamente no sentido de evitar que o distúrbio vá afetar o valor da variável controlada Isto é possível porque são medidas as causas que irão produzir o desvio e não o valor do desvio consumado Teoricamente o controle em avanço é capaz de fazer um controle perfeito Em qualquer situação seu desempenho fica limitado somente pela precisão das medições e dos cálculos efetuados para determinar o comportamento do processo a ser controlado A figura 22 mostra o diagrama de blocos para um controle em avanço Sua característica essencial é o fluxo em avanço da informação Observe que nenhuma variável controlada é empregada pelo sistema contudo um valor de referência é essencial uma vez que todo sistema de controle necessita de uma referência que defina sua direção de atuação Figura 22 Diagrama de blocos de um sistema de controle em avanço Na figura 22 três malhas foram representadas para mostrar que diversas variáveis influenciadoras das variáveis controladas são empregadas para fazer o controle É importante observar que apesar da configuração acima diferir do clássico controle realimentado todas as malhas representadas estão efetivamente fechadas Um bom exemplo de aplicação do controle em avanço pode ser construído a partir do controle do trocador de calor mostrado na figura 23 Neste caso uma solução de água e fluido detergente passa por um trocador de calor onde ela é resfriada SISTEMA DE CONTROLE EM AVANÇO PROCESSO Variáveis do processo influenciadoras da variável ou variáveis controladas Valores desejados Variáveis controladas Variáveis manipuladas Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 20 indiretamente por água de temperatura mais baixa O controle da temperatura de saída da solução é feito através de um sensor de temperatura que envia sinal para um controlador que atua sobre a vazão da água de resfriamento comandando a abertura de uma válvula de controle Figura 23 Trocador de calor empregando um controle realimentado Na figura 24 o mesmo processo é controlado empregandose a técnica do controle em avanço Neste caso a vazão e a temperatura da solução a ser resfriada são informadas a um controlador que determina qual é a vazão de água de resfriamento necessária enviando este valor como referência para um segundo controlador cuja malha mantém constante a vazão de água de resfriamento A temperatura de saída da solução não é medida e a ação corretiva é fornecida num único ciclo Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 21 Figura 24 Controle em avanço aplicado ao trocador de calor No exemplo da figura 24 o controle em avanço só será necessário se for requerida uma grande precisão no valor da variável controlada e não for permitido nenhum desvio em relação ao valor desejado Para uma aplicação simples como esta a escolha recairia provavelmente num controle realimentado por atender as necessidades do processo ser mais barato e de implementação mais fácil Existem no entanto situações de controle nos quais o valor da variável controlada não pode ser medido Outra situação ainda é aquela em que o ajuste exato têm de ser feito num intervalo de tempo muito curto da ordem de milisegundos não havendo tempo para ajustes iterativos Nestas situações o controle em avanço se apresenta como a única solução possível Este é o caso por exemplo do sistema de controle da tensão do material laminado num laminador os cálculos e os ajustes devem ser feitos num espaço de centésimos de segundo Nestes processos o valor da variável ou variáveis controladas é as vezes também medido com a finalidade de fazer um refinamento no modelo matemático de controle Esta função de ajuste do modelo é denominada self learning Deve ser observado que não se trata de um controle realimentado porque tais medições não são empregadas em correções instantâneas mas sim para ajustes que ficam incorporados ao modelo matemático 81 Simulação do controle em avanço O diagrama simulink para um controle em avanço está mostrado na figura 25 Nesta simulação um mesmo distúrbio é aplicado simultâneamente a dois processos idênticos Um destes processos é controlado por um controlador P I No outro processo o controlador recebe com meio segundo de antecedência a informação sobre o distúrbio Este efeito foi obtido incluindose um bloco tempo de transporte o qual atrasa de meio segundo Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 22 o distúrbio aplicado nos dois sistemas em relação a informação que entra no controlador em avanço Desta forma este controlador inicia então sua atuação antes do distúrbio alterar a saída do sistema caracterizando assim um controle antecipatório ou em avanço O algoritmo empregado neste controlador é muito simples a entrada antecipada multiplicada por uma constante negativa é somada a saída de um P I sintonizado com os mesmos valores do outro sistema O valor da constante negativa foi obtido através de tentativa e erro Mesmo com esta estratégia muito simples a melhoria no desempenho é significativa A figura 26 mostra as saídas dos dois processos Podese observar que o processo controlado empregando a estratégia do controle em avanço estabilizou bem antes e além disto a variação da variável controlada neste caso foi muito menor Figura 25 Diagrama de simulação para o controle em avanço Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 23 Figura 26 Saída do dois sistemas para o mesmo distúrbio com e sem controle em avanço Controle de Processos Industriais Automação PROF Antonius Henricus Maria de Knegt Estratégias de Controle 24 Referências 1 Egídio Alberto Bega Caldeiras Instrumentação e controle 2 F G Shinskey Process control systems 3 Toshiba Corporation Energy saving combustion control by TOSDIC system 4 Antonius H M de Knegt Controle da combustão empregando o limite cruzado duplo Revista fundição e Serviços janeiro 92