- 1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA COLGIO TCNICO INDUSTRIAL
DE SANTA MARIA Curso de Eletrotcnica Apostila de Automao Industrial
Elaborada pelo Professor M.Eng. Rodrigo Cardozo Fuentes Prof.
Rodrigo C. Fuentes Campus- UFSM Prdio 5 Email:
[email protected] Web-site: w3.ufsm.br/fuentes SANTA MARIA RS
2005
2. NDICE 2. CONTROLE DE
PROCESSOS...........................................................................2.1
2.1. Introduo:
...............................................................................................2.1
2.2. Tipos de Sistemas de
Controle................................................................2.6
2.2.1. Sistema de controle em Malha
Aberta.............................................2.6 2.2.2.
Sistema de Controle em Malha
Fechada.........................................2.7 2.3. Respostas
de um Sistema de
Controle....................................................2.9
2.4. Estratgias de
Controle:.........................................................................2.12
2.4.1. Controle Liga/Desliga (On-OFF):
..................................................2.12 2.4.2.
Controle
Proporcional:..................................................................2.13
2.4.3. Controle
Derivativo:......................................................................2.14
2.4.4. Controle
Integral:..........................................................................2.14
2.5. Os Elementos Controladores na
Prtica................................................2.17 2.5.1.
Controle analgico
.......................................................................2.17
2.5.2. Controle
Digital.............................................................................2.17
2.6.
Concluso...............................................................................................2.18
2.7. Bibliografia
.............................................................................................2.18
3. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.1
2. CONTROLE DE PROCESSOS 2.1. Introduo: O controle de processos a
base fundamental da automao industrial. Desde a aplicao mais
simples at os processos de produo de fluxo contnuo, como em uma
planta petroqumica, so analisados e desenvolvidos atravs dos
elementos bsicos do controle de processos. Neste captulo so
apresentados os conceitos fundamentais, os tipos de sistemas de
controle e as estratgias mais utilizadas no controle industrial. A
teoria desenvolvida a nvel tcnico profissionalizante de forma
simples e objetiva sem a utilizao de um aprofundamento matemtico.
Processo Industrial: o conjunto formado por equipamentos mecnicos,
eltricos, eletrnicos, hidrulicos ou pneumticos, que atravs de
sucessivas operaes utilizando matrias primas e energia resultaro em
um produto acabado e resduos. Materias- primas Processo de Produo
Produto acabado Processo Industrial Os controles manuais que exigem
um operrio presente nos processos, vm sendo substitudos por
controles automticos. Para se obter o controle automtico de um
processo necessria ento a incluso de um elemento controlador de
processo. 4. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo
Fuentes 2.2 Exemplo de um processo industrial 5. Automao Industrial
UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.3 Controle Manual
Controle Automtico 6. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo
Cardozo Fuentes 2.4 Elemento Controlador de Processo: O elemento
controlador de processo formado por um conjunto de circuitos
eltricos, eletrnicos ou mecnicos que recebem informaes atravs dos
sinais de entrada que representam informaes essenciais ao processo.
Estes sinais so processados e transformados em sinais de controle
que atuam diretamente no comando do processo. Em um controlador as
entradas so alimentadas por sinais eltricos oriundos de sensores,
conversores, interruptores, enquanto os sinais de controle so
aplicados a elementos atuadores, vlvulas, motores, conversores,
etc. Os controladores so geralmente baseados em circuitos
eletrnicos analgicos ou digitais. Os sistemas analgicos so
geralmente constitudos por amplificadores operacionais, enquanto os
digitais so baseados em processadores, que alm de exigir um
circuito eletrnico (hardware), exigem a confeco de programas
(software). Sinais de Entrada Elemento Controlador Sinais de
Controle 7. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo
Fuentes 2.5 Exemplo: O processo de controle de temperatura ambiente
de uma residncia. O elemento controlador deste processo formado por
um termostato onde ajusta-se a temperatura desejada (set-point SP).
A sada representada pela temperatura ambiente que ser controlada
(Valor real ou valor do processo PV). O processo realizado pelo
elemento de aquecimento ou refrigerao (compressor e demais
componentes) que deve igualar a temperatura desejada com a
temperatura ambiente. Temperatura desejada Temperatura
AmbienteControlador Elemento de Aquecimento ou Refrigerao
Perturbaes Energia Eltrica Processo de Controle de Temperatura
Ambiente Resposta do Sistema de Aquecimento Durante a operao do
processo podem ocorrer alteraes devido a agentes inesperados que so
as chamadas perturbaes. As perturbaes podem afetar
significativamente os resultados a serem obtidos nas sadas do
processo (PV). T o C t min. Temperatura inicial Temperatura final
8. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.6
At este momento utilizamos os seguintes conceitos: - Processo
Industrial - Elemento Controlador de Processo - Sinais de entrada -
Sinais de controle - Valor desejado ou Set-point (SP) - Valor real
ou valor do processo (PV) - Perturbaes 2.2. Tipos de Sistemas de
Controle Existem basicamente dois tipos de sistemas de controle:
Sistemas de Malha Aberta e Sistemas de Malha Fechada. 2.2.1.
Sistema de controle em Malha Aberta Para um sistema de malha aberta
os sinais de entrada so estabelecidos de forma que o sistema
proporcione a sada desejada. Os sinais de entrada, entretanto no so
modificados de forma a seguir as alteraes nas condies de operao ou
perturbaes que possam ocorrer durante o processo. Pode-se dizer que
um sistema de malha aberta no apresenta uma informao do estado da
sada do processo. Sinais de Entrada Sada do Processo Controlador
Processo Sinais de Controle Sistema de Controle em Malha Aberta
Muitos sistemas de controle em malha aberta utilizam um elemento de
controle que envia um sinal para iniciar uma ao depois de um
intervalo de tempo, ou uma seqncia de aes em instantes de tempo
diferentes. O elemento controlador em tais sistemas essencialmente
um dispositivo seqencial operado pelo tempo. 9. Automao Industrial
UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.7 Timer Mecnico Timer
Digital 2.2.2. Sistema de Controle em Malha Fechada Em um sistema
em malha fechada, a grandeza a ser controlada monitorada atravs de
um elemento de medio. Esta informao comparada com o valor desejado
(set-point - SP) atravs de um elemento comparador produzindo-se um
sinal de erro. Este sinal de erro processado pelo elemento
controlador gerando sinais de controle que atuaro sobre o processo.
Os elementos atuadores do processo agiro de tal maneira que, sejam
corrigidos eventuais desvios, causados por modificaes nas condies
de operao, ou perturbaes no processo. Sistema de Controle em Malha
Fechada Pode-se verificar que em um sistema de malha fechada so
adicionados novos elementos. O elemento de medio que far a
monitorao da sada e o elemento comparador que far a comparao entre
o valor de sada do processo Valor Desejado "Set-Point" Erro Sada
Elemento Controlador Elemento de Acionamento Elemento de Medio + -
Sinais de Controle Elemento Comparador 10. Automao Industrial UFSM
CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.8 (PV) e o valor desejado
(referncia ou Set-Point). O valor resultante da comparao entre o
valor medido na sada e o valor desejado (set-point) chamado erro.
Para ilustrar ainda mais as diferenas entre sistemas em malha
aberta e em malha fechada, vamos considerar como exemplo a operao
de um motor eltrico de corrente contnua. Em um sistema em malha
aberta, a velocidade de rotao do eixo pode ser determinada somente
por um ajuste inicial da tenso aplicada ao motor. Qualquer mudana
na tenso de alimentao, temperatura ou variao da carga no eixo do
motor, alterar a velocidade de rotao do motor e no ser compensada
pelo sistema de controle (no existe ramo de realimentao). Em um
sistema de controle em malha aberta, a sada do sistema no tem
efeito no sinal de entrada. Em um sistema de malha fechada, no
entanto, o ajuste inicial do controlador ser para uma velocidade em
particular do motor, e esta se manter pela realimentao mesmo que
ajam mudanas na fonte de alimentao ou de carga no eixo, dentro de
certos limites. A sada passa a ter efeito direto no sinal de
entrada da planta, modificando-o para manter o sinal de sada no
valor desejado. Motor Sensor Controlador Os sistemas em malha
aberta tm a vantagem de ser relativamente simples e, em conseqncia,
de baixo custo. Entretanto so facilmente imprecisos, j que no
existe correo para os erros. Em um sistema de malha fechada pode-se
combinar os valores reais com os desejados, entretanto, atrasos de
tempo no sistema, podem comprometer uma ao corretiva e, em
conseqncia, ocasionar oscilaes na sada e instabilidade. Os sistemas
de malha fechada so mais 11. Automao Industrial UFSM CTISM Prof.
Rodrigo Cardozo Fuentes 2.9 complexos, bem mais onerosos e com
maiores possibilidades de danos, pois normalmente so compostos de
um nmero maior de componentes. 2.3. Respostas de um Sistema de
Controle Em um sistema de controle automtico de malha fechada o
elemento comparador produz um erro de acordo com o valor medido na
sada do processo (PV) e o valor desejado (SP). O elemento
controlador ir atuar de maneira a anular a diferena existente entre
os dois, produzindo uma ao de controle. desejvel que o elemento
controlador produza uma resposta rpida e com a maior preciso
possvel. Exemplo de uma resposta prxima ao Ideal Se esta ao
corretiva for demasiadamente forte o valor do processo ultrapassar
o valor desejado Overshoot e conseqentemente entrar em oscilao.
Esta oscilao pode ampliar-se tornando o processo instvel conforme a
figura abaixo. Tempo Valor desejado "Set point" Varivel Controlada
12. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes
2.10 Exemplo de uma resposta Instvel A oscilao pode ser amortizada
e atingir aps transcorrido um determinado tempo o set-point. Veja a
figura abaixo. Exemplo de uma resposta Estvel A oscilao pode
permanecer e produzir uma resposta oscilatria no processo. Veja a
figura abaixo. Tempo Valor desejado "Set point" Varivel Controlada
Tempo Valor desejado "Set point" Varivel Controlada 13. Automao
Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.11 Exemplo de
uma resposta Oscilatria Por outro lado, se a ao do elemento de
controle apresentar baixa intensidade. O processo levar muito tempo
para anular o erro, ou s vezes nunca o eliminar. Veja a figura
abaixo. Exemplo de Uma resposta muito lenta Para obter uma boa
regulao o elemento controlador deve satisfazer as seguintes
condies: - Estabilidade - Curto tempo de resposta - Pequeno
Overshoot Tempo Valor desejado "Set point" Varivel Controlada Tempo
Valor desejado "Set point" Varivel Controlada 14. Automao
Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.12 Esta
resposta apresenta uma boa relao entre tempo de resposta e
overshoot. 2.4. Estratgias de Controle: As estratgias de controle
so tcnicas aplicadas aos controladores industriais que permitem
tipos de respostas diferentes e adequadas a cada sistema de
controle, minimizando erros de posio, velocidade e tempo de
resposta. 2.4.1. Controle Liga/Desliga (On-OFF): Nesta estratgia de
controle o sinal de controle que aplicado ao processo, ou apresenta
valor nulo, ou um determinado valor fixo. A ao de controle gerada
pelo controlador poder ligar (on) ou desligar (off) o elemento
atuador do processo. Trata-se de uma estratgia bastante simples e
de larga aplicao prtica em processos que permitem uma faixa de
variao do valor da grandeza a ser controlada entre um nvel mximo e
mnimo prximos ao set-point. Esta faixa de variao denominada
histerese. A grandeza a ser controlada apresentar uma resposta
oscilatria variando dentro da faixa de histerese. Tempo Varivel
Controlada Valor desejado "Set point" 15. Automao Industrial UFSM
CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.13 Controlador On/Off Aplica
100% de potncia na carga quando o valor do processo (PV) estiver
abaixo da pr-seleo mais a histerese, e 0% de potncia quando estiver
acima da pr-seleo menos a histerese. Resultar em OSCILAO do valor
do processo (PV) ao longo do tempo. 2.4.2. Controle Proporcional:
Este controlador produz na sua sada um sinal de controle que
proporcional ao erro ou seja quanto maior o erro maior ser a ao
corretiva produzida pelo controlador na sada. Esta
proporcionalidade representada por uma constante kp que define o
fator de amplificao do controlador (ganho). Esta estratgia
largamente empregada no controle industrial pois minimiza os erros
ao longo do tempo permanecendo apenas um desvio em relao ao set-
point denominado off-set. 16. Automao Industrial UFSM CTISM Prof.
Rodrigo Cardozo Fuentes 2.14 Controle Proporcional A potncia
aplicada na carga varia de forma proporcional diferena (desvio)
entre a pr-seleo e o valor medido no processo (sensor), dentro da
faixa determinada pelo ajuste de XP% a potncia aplicada na carga 0%
e abaixo dessa banda 100%. indicado para processos estticos.
Resultar em ESTABILIZAO da temperatura ao longo do tempo. 2.4.3.
Controle Derivativo: A sada do controlador proporcional a taxa de
variao do sinal de erro ou seja a derivada do erro. Este tipo de
controlador proporciona uma ao bastante rpida sempre que ocorrerem
variaes na sada, entretanto no minimiza erros de regime permanente.
Nesta estratgia deve ser definida a constante derivativa kd . Esta
estratgia muito utilizada em sistemas de posicionamento, movimentao
de ferramentas e controle de rotao. Onde so exigidas aes rpidas
frente s modificaes nas condies de operao ou perturbaes. 2.4.4.
Controle Integral: A sada do controlador proporcional ao somatrio
do sinal de erro em um determinado instante de tempo, ou seja, a
integral do erro. Este tipo de controlador minimiza os erros de
regime permanente do sistema, entretanto sua ao de resposta lenta.
Nesta estratgia deve-se definir o valor do ganho integral atravs da
constante ki. 17. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo
Cardozo Fuentes 2.15 Alm destas estratgias de controle podem-se
encontrar controladores associados como PI (proporcional-integral),
PD (proporcional-derivativo), ou PID
(proporcional-integral-derivativo). Controle Proporcional
Derivativo Funciona conforme o controle proporcional, acrescido de
uma maior velocidade de reao do controlador variaes do processo.
obtida por um circuito eletrnico de ao derivativa. indicado para
processos dinmicos. Resultar numa RPIDA ESTABILIZAO do valor do
processo ao longo do tempo. Controle Proporcional Integral
Derivativo 18. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo
Fuentes 2.16 O controle PID (proporcional integral derivativo)
funciona conforme o controle PD, acrescido de uma estabilizao o
mais prximo possvel do valor da pr- seleo. realizada por um
circuito eletrnico cuja ao obtida atravs de um algoritmo matemtico
que efetua a integral do desvio. Resultar numa RPIDA e PRECISA
ESTABILIZAO do valor do processo ao longo do tempo. Diagrama do
controlador PID A principal habilidade a ser desenvolvida pelos
profissionais de controle a correta escolha da estratgia em funo do
processo fsico a ser controlado. Outra definio refere-se ao correto
dimensionamento dos valores de ganho kp, kd e ki dos quais depender
a resposta do sistema. Controlador PID com os valores do ganhos 19.
Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo Fuentes 2.17
Leia o artigo Teoria de Controle PID da revista Mecatrnica Atual
n.3 de abril de 2002. 2.5. Os Elementos Controladores na Prtica Na
maioria das vezes as estratgias de controle so implementadas na
prtica atravs da utilizao de circuitos eletrnicos. Estes circuitos
podem utilizar a tecnologia da eletrnica analgica ou da eletrnica
digital. 2.5.1. Controle analgico O controle analgico apresenta
grande velocidade de ao devido a prpria natureza analgica dos
sinais envolvidos no processo. Sua tecnologia baseada nos
amplificadores operacionais. Estes circuitos apesar de sua
simplicidade apresentam grande versatilidade podendo implementar
desde um simples comparador at um controlador proporcional integral
derivativo (PID). Circuito Integrado Esquema eltrico Identificao
dos terminais Leia o artigo Amplificadores Operacionais Aplicados a
Indstria da revista Saber Eletrnica n.342 de julho de 2001. 2.5.2.
Controle Digital Os controladores de processos que utilizam a
tecnologia digital so implementados atravs dos microprocessadores,
memrias e microcontroladores. No controle digital so necessrias
converses dos sinais eltricos analgicos em informaes digitais
(converso A/D). Estas informaes so processadas atravs de um
Hardware e um Software especficos produzindo as informaes de
controle que novamente so traduzidos em sinais analgicos (converso
D/A). 20. Automao Industrial UFSM CTISM Prof. Rodrigo Cardozo
Fuentes 2.18 O controle digital tem apresentado grande evoluo na
ltima dcada com a produo de microcontroladores com caractersticas
cada vez mais complexas e velocidades de processamento cada vez
maiores. Microcontrolador Identificao dos terminais Hardware 2.6.
Concluso Neste captulo estudamos os principais conceitos que
envolvem o controle automtico de processos. Lembre-se que a
abordagem deste tema foi ampla mas sem o devido tratamento
matemtico. Para o devido aprofundamento sugiro a consulta em
bibliografias e artigos especficos. 2.7. Bibliografia Rosrio, Joo
Maurcio. Princpios de Mecatrnica Editora Prentice Hall Ogata,
Katsuhiko . Engenharia de Controle Moderno Editora Prentice Hall do
Brasil Ltda. Pazos, Fernando. Automao de Sistemas & Robtica
Editora Axcel Books. Bolton W. Engenharia de Controle Editora
Makron Books 1995.
