Exercícios Resolvidos Controle Feedback Cascata Feedforward Razão - Instrumentação e Controle

PÓSTÉCNICO DE INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE DE PROCESSOS CETEL 2 SEMESTRE DE 2009 MÓDULO TÉCNICAS DE CONTROLE REGULATÓRIO NOME DATA Controle Feedback Controle Cascata Controle Feedforward Controle de Razão EXERCÍCIOS 1 Dada a malha de controle do forno seguinte responda a Qual a estratégia de controle utilizada b Qual is problemas podem ser detectados nesse processo devido a estratégia implementada c Proponha uma nova estratégia de controle capaz de solucionar os problemas encontrado 2 Identifique citando os elementos que tipo de estratégia de controle está implementada nas seguintes malhas Malha A Malha B Malha C 3 Proponha a mudança deste controle feedback simples para um controle em cascata com dois elementos faça o desenho a partir da malha feedback simples abaixo Em seguida identifique a malha escrava e a malha mestre circulandoas e explique qual das duas malhas deve possuir resposta mais rápida e por quê L L 4 Marque V se verdadeira e F se falsa para as seguintes afirmações O controle feedforward também é conhecido como controle antecipativo O controle em cascata é implementado para processos com grande inércia e quando o processo possui uma constante perturbação na variável regulante No controle de relação normalmente encontramse duas variáveis de processo dois controladores e um elemento final de controle A malha de controle em cascata possui uma malha aberta e uma malha fechada 5 Como se realiza a sintonia para o controle em cascata Descreva e justifique o procedimento 6 Ao levantar os gráficos das variáveis envolvidas em uma malha fechada tipo feedback implementada para controle de temperatura na saída de um trocador de calor observouse que a carga sofre pouca variação mas que a variável controlada oscila de forma rápida em função das oscilações da variável manipulada O que pode ser feito para melhorar o desempenho deste controle Justifique a resposta escolhida a implementar controle Feedforward b implementar controle relação c implementar controle cascata d implementar controle seletivo 7 Sobre o controle feedback é correto afirmar que a pode provocar instabilidade no processo b existe a necessidade de manutenção com grande periodicidade dos instrumentos envolvidos c seu custo é baixo d é de baixa complexidade de implementação 8 Marque com V se verdadeiro e F se falso Justifique as sentenças que marcar como falsas a O controle feedforward possui uma malha aberta e uma malha fechada trabalhando conjuntamente b No controle em cascata a malha mestre é a malha mais lenta c No controle feedforward devese sintonizar primeiro a malha fechada e posteriormente a malha aberta d Um controle que utiliza duas malhas fechadas dois controladores PID um elemento final de controle e dois elementos de medição é o controle feedforward e O controle que exige o conhecimento com maior precisão possível de todas as características do erro é o controle de razão f O termo LL presente no conversor FY de uma malha de controle diz respeito aos ajustes de tempo realizados nesta malha g No controle em cascata a saída da malha mestre é o setpoint da malha escrava f O termo presente no conversor FY de uma malha de controle diz respeito aos ajustes de amplitude realizados nesta malha h O ajuste da malha aberta no controle feedforward permite o funcionamento desta em qualquer ponto de trabalho da malha i No controle em cascata a malha mestre é a malha mais rápida j Podese ajustar a malha fechada do controle feedforward pelos métodos de tentativa e erro ou Ziegler e Nichols somente k Na malha de controle feedback simples a correção da PV atua após a perturbação ou mudança no setpoint l O controle de razão possui uma variável controlada e outra não m O controle em cascata serve para melhorar a malha fechada simples de um processo que possui pequena inércia diminuindo os efeitos de uma ou mais perturbações sobre a variável manipulada n O controle feedforward tem por objetivo permitir uma ação corretiva sobre a PV antes que uma perturbação da variável manipulada possa ser sentida o O controle em cascata tem por objetivo permitir uma ação corretiva sobre a PV antes que uma perturbação de carga seja sentida por ela p A relação entre as variáveis no controle de razão não depende das necessidades da fabricação q A função de um somador em uma malha de controle feedforward é igualar as proporções dos sinais que são medidos pela malha aberta e pela malha fechada 4 O seguinte programa foi criado no CONF600 para controle da malha de nível Responda às seguintes questões sobre o programa Loop 1 Vazão P 0 A 0 A 0 C 0 V 0 F 0 L 0 V 0 A A 2 A A SP S S Loop 2 Nível a Qual o tipo de estratégia de controle está implementada b Porque existem dois loops de controle c Qual dos loops é o escravo e qual é o mestre d Como será realizada a sintonia desta malha Descreva o procedimento e Se ocorrer um distúrbio na vazão de entrada como se comportará o nível f Se ocorrer um distúrbio na vazão de saída como se comportará o nível g Diante das respostas dadas em e e f cite uma solução para o problema detectado PID 044 AI 002 AM 036 VO 014 VO 013 FV 028 ADJ 099 B C 56 D A 233 42 41 A B C 4 SPN SPN A A A SPRV Especialização técnica em Instrumentação e Controle de Processos Exercício Avaliativo NOME EXERCÍCIOS 1 As curvas que se seguem foram traçadas a partir de processos em malha aberta Identifique os parâmetros destes processos marque no gráfico e calcule os valores Legenda Variável Manipulada MVdegrau na válvula Variável do Processo PV PROCESSO A PROCESSO B 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 tempos PV 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 5 10 15 20 25 tempos PV Especialização técnica em Instrumentação e Controle de Processos Exercício Avaliativo 2 De acordo com os ensaios realizados em malha fechada no seguinte processo registrado encontre os parâmetros que identificam este processo este processo é instável ou estável Primeiro Ensaio Ganho 2 Segundo Ensaio Ganho 26 0 2 4 6 8 10 0 05 1 15 2 25 3 tempos PV Time sec Amplitude Step Response 5 10 15 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 3 De acordo com os ensaios realizados em malha fechada no seguinte processo registrado encontre os parâmetros que identificam este processo este processo é instável ou estável O ganho do controlador neste caso foi de 2 Time sec Amplitude Step Response 5 10 15 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 Especialização Técnica em Instrumentação e Controle de Processos Exercício Avaliativo NOME 1 A curva abaixo representa a resposta em malha aberta de um processo a Este processo é estável ou instável Justifique sua resposta b Identifique este processo função de transferência c Que tipo de controlador você usaria para controlar este processo em malha fechada P PI ou PID caso existam Justifique sua resposta 2 Idem à questão 1 para a curva abaixo a Este processo é estável ou instável Justifique sua resposta b Identifique este processo função de transferência c Que tipo de controlador você usaria para controlar este processo em malha fechada P PI ou PID caso existam Justifique sua resposta Tempo s 0 40 20 2 20 ΔPV ΔMV ΔMV ΔPV 30 0 0 50 Tempo s Especialização Técnica em Instrumentação e Controle de Processos Exercício Avaliativo 3 Ao identificar um processo obtevese a seguinte função de transferência Baseado nesta função de transferência determine a A curva de resposta deste processo para um degrau de entrada de 10 considerando que a PV estava em 25 e a válvula em 15 antes do degrau b Para colocar este processo em funcionamento em malha fechada é necessário um controlador PID Neste controlador qual a estrutura que você usaria ONOFF P PI ou PID caso existam Justifique sua resposta c Se a estrutura deste controlador for paralela calcule as ações de controle PID Kp Ti e TD 4 A curva abaixo representa a resposta de uma identificação de processo em malha fechada cujo ganho crítico foi de 386 Gcr 386 Calcule as ações de controle PID Kp Ti e Td usando a técnica de Ziegler Nicholls Questão 01 AControle Feedback B Essa estratégia pode não funcionar bem porque ela não leva em consideração uma variável importante nesse processo a vazão do combustível dessa forma a temperatura não estará com valor extado C Um controle que resolveria isso seria o controle cascata Questão 02 Malha A O controle implementado é o controle razão A vazão de Massa é controlada através da malha transmissor de vazão FT01 que manda dados para um controlador de vazão que por fim controla a esteira A mesma proporçãorazão é controlada para a água através da malha transmissor de vazão FT02 que manda sinal para o controlador de vazão que por si controla a a válvula Esse controle e conhecido como controle razão pois dois controles distintos controlam a entrada de componentes num misturador isso acontece por meio de uma relação entre os dois componentes Malha B O controle implementado e controle cascata pois uma variável e setpoint de outra Nesse sistema desejase controlar a temperatura de saída do reator essa temperatura e medida na saída do reator em seguida o controlador de temperatura gera um sinal para ser setpoint de outra malha de controle chegando sinal no controlador de vazão Com os dados de vazão e temperatura ele faz o controle da válvula de entrada do sistema Malha C O controle implementado é o controle a 3 elementos Esse tipo de controle e muito comum em caldeiras A partir dos valores de vazão da água é feito controle do nível dentro da caldeira Questão 03 Questão 4 Marque V se verdadeira e F se falsa para as seguintes afirmações v O controle feedforward também é conhecido como controle antecipativo v O controle em cascata é implementado para processos com grande inércia e quando o processo possui uma constante perturbação na variável regulante f No controle de relação normalmente encontramse duas variáveis de processo dois controladores e um elemento final de controle f A malha de controle em cascata possui uma malha aberta e uma malha fechada Explicação Afirmação 1 Correta O controle feedforward é um tipo de controle que utiliza um modelo matemático do processo para prever a entrada do controlador Esse tipo de controle também é conhecido como controle antecipativo Afirmação 2 Correta O controle em cascata é um tipo de controle que utiliza dois controladores para controlar uma variável de processo O primeiro controlador controla a variável intermediária que é utilizada pelo segundo controlador para controlar a variável de processo final O controle em cascata é frequentemente utilizado para processos com grande inércia ou quando o processo possui uma perturbação constante na variável regulante Afirmação 3 Falsa O controle de relação é um tipo de controle que utiliza duas variáveis de processo para calcular a entrada do controlador O controle de relação não requer dois controladores ou dois elementos finais de controle Afirmação 4 Falsa A malha de controle em cascata é uma malha fechada A malha aberta é um tipo de controle que não utiliza um controlador Questão 5 A sintonia para o controle em cascata pode ser realizada de diferentes maneiras dependendo do tipo de controlador utilizado Em geral o procedimento consiste nos seguintes passos 1 Identificação do processo O primeiro passo é identificar o processo ou seja determinar o seu modelo matemático O modelo matemático pode ser obtido experimentalmente ou por meio de simulação 2 Sintonia do controlador primário O controlador primário é responsável por controlar a variável intermediária A sintonia do controlador primário é realizada de forma independente do controlador secundário 3 Sintonia do controlador secundário O controlador secundário é responsável por controlar a variável de processo final A sintonia do controlador secundário é realizada considerando o modelo matemático do processo e a resposta do controlador primário A seguir são descritos os procedimentos de sintonia para os dois controladores o primário e o secundário Sintonia do controlador primário A sintonia do controlador primário pode ser realizada utilizando métodos clássicos como o método de ZieglerNichols ou o método de CohenCoon Esses métodos são baseados na análise do diagrama de Nyquist do processo O método de ZieglerNichols é um método simples e rápido de sintonia O procedimento consiste nos seguintes passos 1 Ativação do controlador primário com ganho unitário 2 Aumento do ganho do controlador primário até que a variável controlada comece a oscilar 3 Medição do período de oscilação 4 Calculo dos parâmetros do controlador primário O método de CohenCoon é um método mais preciso que o método de ZieglerNichols O procedimento consiste nos seguintes passos 1 Ativação do controlador primário com ganho unitário 2 Aumento do ganho do controlador primário até que a variável controlada comece a oscilar 3 Medição do período de oscilação 4 Calculo dos parâmetros do controlador primário Sintonia do controlador secundário A sintonia do controlador secundário é realizada considerando o modelo matemático do processo e a resposta do controlador primário O objetivo é garantir que o sistema de controle tenha um desempenho adequado considerando as especificações de projeto Existem diversos métodos de sintonia para o controlador secundário Um método simples é o método de ganho mínimo O procedimento consiste nos seguintes passos 1 Calculo do ganho mínimo 2 Ajuste do ganho do controlador secundário para o valor mínimo 3 Teste do sistema de controle O ganho mínimo é o ganho do controlador secundário que garante que o sistema de controle tenha uma resposta de fase de 180 graus Essa resposta de fase garante que o sistema de controle seja estável Outro método de sintonia para o controlador secundário é o método de ganhotempo O procedimento consiste nos seguintes passos 1 Definição dos objetivos de projeto 2 Calculo dos parâmetros do controlador secundário 3 Teste do sistema de controle O método de ganhotempo permite que o projetista defina os objetivos de projeto do sistema de controle como o tempo de resposta e o erro de estado estacionário A seguir são apresentados alguns critérios para avaliar o desempenho do sistema de controle em cascata Estabilidade O sistema de controle deve ser estável ou seja não deve apresentar oscilações incontroláveis Resposta dinâmica O sistema de controle deve ter uma resposta dinâmica adequada considerando as especificações de projeto Precisão O sistema de controle deve manter a variável controlada dentro dos limites aceitáveis A sintonia adequada do controlador em cascata é essencial para garantir que o sistema de controle tenha um desempenho adequado Questão 6 A resposta correta é c implementar controle cascata O controle cascata é um tipo de controle que utiliza dois controladores para controlar uma variável de processo O primeiro controlador controla a variável intermediária que é utilizada pelo segundo controlador para controlar a variável de processo final No caso em questão a carga sofre pouca variação mas a variável controlada oscila de forma rápida em função das oscilações da variável manipulada Isso indica que o processo possui uma inércia significativa O controle cascata pode ser utilizado para melhorar o desempenho de processos com inércia significativa O primeiro controlador é responsável por controlar a variável intermediária que é um parâmetro que afeta a inércia do processo O segundo controlador é responsável por controlar a variável de processo final No caso em questão o primeiro controlador poderia ser utilizado para controlar a temperatura do fluido de entrada do trocador de calor O segundo controlador poderia ser utilizado para controlar a temperatura da saída do trocador de calor A implementação do controle cascata permitiria que o primeiro controlador atuasse de forma a reduzir a inércia do processo o que por sua vez reduziria as oscilações da variável controlada As demais opções não são adequadas para o caso em questão a O controle feedforward não é adequado para o caso em questão pois a carga não sofre grandes variações b O controle relação é adequado para processos com duas variáveis de processo que estão relacionadas entre si No caso em questão não há duas variáveis de processo relacionadas entre si d O controle seletivo é adequado para processos com múltiplas variáveis controladas No caso em questão há apenas uma variável controlada Questão 07 A resposta correta é a pode provocar instabilidade no processo O controle feedback é um tipo de controle que atua corrigindo o desvio da variável controlada a partir da leitura da variável manipulada No entanto se a variável manipulada não for capaz de responder de forma rápida ao desvio da variável controlada o sistema pode tornarse instável As demais opções não são corretas b A manutenção dos instrumentos envolvidos no controle feedback não é necessariamente de grande periodicidade O intervalo de manutenção depende do tipo de instrumento utilizado e das condições operacionais do processo c O custo do controle feedback pode ser baixo ou alto dependendo do tipo de controlador e dos instrumentos utilizados d O controle feedback pode ser de baixa ou alta complexidade de implementação dependendo da complexidade do processo e da precisão desejada Assim a resposta correta é a Questão 08 Afirmação Verdadeira V a V b F c F d F e V f F g V h V i F j F k V l F m F n V o V p F q F Segunda lista Questao 01 Sistema estável a variável controlada se estabiliza ao logo do tempo Malha aberta Ganho 2010 2 Constante de tempo 3s Tempo morto 2s Sistema instável a variável controlada não se estabiliza ao logo do tempo Malha aberta Coeficiente de integração Constante de tempo o sistema não se estabiliza Tempo morto 5s Questão 02 Ensaio 1 Malha aberta Ganho 253 08333 Constante de tempo 28s Tempo morto 18s Ensaio 2 Malha aberta instavel Constante de tempo 28s Ganho 105 2 Tempo morto 18s Questão 03 Ganho do processo 2 Tempo de atraso 05 segundos Tempo de subida 2 segundos Frequência natural 2 rads Sobreamortecimento 05 Lista 3 Questão 01 a Processo estável o processo se estabiliza ao longo do tempo b Ganho do processok 4020 3020 2010 2 Constante de tempo𝜏 6s Tempo mortotd 4s Sistema de primeira ordem tem a seguinte característica 𝑌𝑠 𝑈𝑠 𝑘 𝜏𝑠 1 𝑒𝑡𝑑𝑠 2 6𝑠 1 𝑒4𝑠 c O controlador PID é a melhor escolha para controlar o processo em questão pois ele garante um erro de regime permanente zero reduz o tempo de resposta transitória e o atraso e melhora a estabilidade do sistema Os controladores P e PI também podem ser usados para controlar o processo mas eles não oferecem o mesmo nível de desempenho do controlador PID 02 a Processo instável b Malha aberta Coeficiente de integração Constante de tempo o sistema não se estabiliza Tempo morto 5s A função de transferência de um sistema de malha aberta com coeficiente de integração é dada por Gs K s T Onde K é o coeficiente de integração T é a constante de tempo No caso em questão a constante de tempo deve ser tal que o sistema não se estabilize Isso significa que o valor de T deve ser maior que o valor do tempo morto Como o tempo morto é 5s então T deve ser maior que 5s Para simplificar vamos assumir que T 10s Nesse caso a função de transferência do sistema é Gs K s 10 Resposta A função de transferência do sistema é Gs K s 10 Observação É importante notar que essa função de transferência é apenas um exemplo O valor real de T deve ser calculado com base nas especificações do sistema Exemplo de cálculo Suponha que o sistema deve ter uma resposta de pico de 100 Nesse caso o valor de K pode ser calculado da seguinte forma K 100 10 10 K 100 20 K 5 Portanto a função de transferência do sistema é Gs 5 s 10 c Para controlar um sistema com coeficiente de integração e tempo morto é recomendado usar um controlador PID Um controlador PID combina as ações proporcional integral e derivativa o que pode ajudar a controlar oscilações e garantir um desempenho mais suave do sistema O controlador PID pode ser projetado para compensar o tempo morto do sistema o que pode melhorar ainda mais o desempenho Justificativa Um controlador proporcional pode ser usado para controlar sistemas com coeficiente de integração mas ele pode causar oscilações na resposta do sistema Um controlador PI pode ajudar a reduzir as oscilações mas ele pode não ser capaz de eliminar completamente o sobresinal da resposta do sistema Um controlador PID pode eliminar completamente o sobresinal da resposta do sistema e compensar o tempo morto do sistema Portanto um controlador PID é a melhor escolha para controlar um sistema com coeficiente de integração e tempo morto HORSE RACING IS BACK AT LISTOWEL NEXT SATURDAY NOVEMBER 25th THE LISTOWEL RACE COUNTRY FAIR is the perfect opportunity to get near our equine stars Shop eat and enjoy a day out and perhaps a little betting too with the family for just 5 Kids go free Kilflynn Rd Listowel V31Y9W3 25 Trade Stands Food Artisan Markets Country Fayre Hedge Derby Stage Shows Family Fun Added Attractions include an Agrifood Antiques Market and two Races across the day All details booking wwwlistowelracesie Like us Facebook Follow us on Instagram Twitter WeAreCappa listowelracesgmailcom 068 23599 BOOK TICKETS TRAVEL ONLINE wwwlistowelracesie or on the gate Social distancing ticketing measures will be in place We are outdoor covid secure Find us at The Rower Kilkenny R95 E2Y0 01 565 7321 Email inforeadysolutionsie wwwreadysolutionsiexmlnamespace prefix o ns urnschemasmicrosoftcomofficeoffice The HOURIGAN SHOW INFINITI RACEWEEK Send an email with a pic of your Infiniti marked with HOURIGAN SHOW to eventshouriganshowcom to be entered in a free draw for a racers prize TIA Raceweek is part of the Hourigan Show Sunday 26th November Sportsgrounds Thurles and the 2023 HRC Chasing A Hundred series p3 Check all the details at Houriganshowcom or on the Hourigan Show social media