Apresentacao PID-Planta PP-NVP-Geral - EAD

Controle
Automático PID
em Planta Piloto
José Lamartine de Andrade Lima Neto
Professor de Instrumentação e Controle Automático
Curso de Automação e Controle Industrial
IFBA-Salvador
[email protected]
Controle Automático PID em Planta
Piloto - PROGRAMAÇÃO Introdução
Sistemas dinâmicos simples e mais
comuns:
1ª Ordem, 2ª Ordem, Tempo
Morto, (Não) AutoRegulatório
Estruturas importantes usando
sistemas simples
Série, Paralelo, Reciclo e
Estágios
Malhas de controle e diagramas em
blocos.
Feed back, Cascata
Feed forward
Controle manual e automático e os
modos (PID e seus algoritmos),
Proporcional, Integral e
Derivativo
Critérios de desempenho de malha
de controle
IAE,ISE e ITAE.
Sintonia de controladores a partir
dos Métodos de Ziegler & Nichols
aplicado PP-NVP
Sensibilidade Limite (malha
fechada)
Curva de Reação (malha
aberta)
Controle Automático
-Quando executo uma experiência, como faço para manter a
temperatura ou o nível ou outra variável qualquer nos valores
desejados?
-Como faço para fabricar produtos com qualidade elevada quando as
matérias-primas mudam suas propriedades?
-Quanto tempo eu tenho de responder a uma situação de perigo?
Controle Automático
- Começamos com a análise do estado de equilíbrio, porque é
mais fácil e importante.
- Estamos construindo conhecimentos especializados em cima de
fundamentos (fluidos, transferência de calor, termodinâmica, etc)
e em unidades de processo (destilação, CSTR, etc.).
- Temos que controlar o nosso conhecimento básico antes de
integrar em projetos mais avançados.
O QUE É UM SISTEMA DE CONTROLE FEEDBACK?
Vejamos alguns exemplos
primeiro. Em seguida,
iremos desenvolver um
conceito geral.
Descreva seu método para a
condução de um automóvel.
Você poderia conduzir um carro
sem olhar pelo pára-brisas?
Pode um "bom design" eliminar a
necessidade de se orientar?
O QUE É UM SISTEMA DE CONTROLE FEEDBACK?
Vejamos alguns exemplos
primeiro. Em seguida,
iremos desenvolver um
conceito geral.
Descreva como funciona um
aparelho de ar condicionado.
Descrever o comportamento
dinâmico de T (termostato).
Pode um "bom design" eliminar
a necessidade de alterar a
temperatura?
O QUE É UM SISTEMA DE CONTROLE FEEDBACK?
O QUE É UM SISTEMA DE CONTROLE FEEDBACK?
POR QUE É NECESSÁRIO CONTROLAR?
Uma palavra: PERTURBAÇÕES!
Queremos alcançar o seguinte:
1. Segurança
2. Proteção Ambiental.
3. Proteger os equipamentos.
4. O bom funcionamento.
5. Qualidade dos produtos
6. Lucro
7. Acompanhamento e diagnóstico
POR QUE É POSSÍVEL CONTROLAR?
O Controle só é possível se for fornecido os
equipamentos necessários durante o projeto.
Parte 1: Equipamento de comando ou controle
POR QUE É POSSÍVEL CONTROLAR?
O Controle só é possível se for fornecido os
equipamentos necessários durante o projeto.
Parte 2: Equipamento de processo
SISTEMAS
DINÂMICOS SIMPLES
PROCESSO SIMPLES DE 1a. ORDEM
A equação básica
K=ganho
τ = constante de tempo
PROCESSO SIMPLES DE 1a. ORDEM
PROCESSO SIMPLES DE 2a. ORDEM
A equação básica
K = ganho,
τ = constante de tempo, ξ = fator de amortecimento
Super amortecido
Sub amortecido
PROCESSO SIMPLES DE 2a. ORDEM
PROCESSO SIMPLES COM TEMPO MORTO
PROCESSO SIMPLES INTEGRADOR
As plantas têm muitos reservatórios cujas vazões de
entrada e saída não dependem deles.
Estes sistemas são denominados “integradores puros”
porque integram a diferença entre o fluxo que entra e o
que sai.
PROCESSO SIMPLES INTEGRADOR
PROCESSO SIMPLES INTEGRADOR
PROCESSO SIMPLES INTEGRADOR
Não auto-regulatório tendem a “fugir” dos
valores desejados.
Temos que controlar estas variáveis.
ESTRUTURA DE
PROCESSOS
ESTRUTURA EM SÉRIE SEM INTERAÇÃO
A saída de um
elemento não
influencia na entrada
do seguinte.
ESTRUTURA EM SÉRIE SEM INTERAÇÃO
ESTRUTURA EM SÉRIE SEM INTERAÇÃO
IMPORTANTE
Parece que há ocorrência de
algum Tempo Morto;
A curva é suave e diferente a de
1ª. ordem.
É mais lento do que quaisquer
elementos internos.
ESTRUTURA EM SÉRIE SEM INTERAÇÃO
ESTRUTURA EM SÉRIE SEM INTERAÇÃO
ESTRUTURA DE PROCESSOS
ESTRUTURA DE PROCESSOS
ESTRUTURA EM PARALELO
É o resultado de mais um caminho entre entrada e saída.
Esta pode uma divisão de fluxo, mas pode ser nas relações com outro
processo.
ESTRUTURA EM PARALELO
ESTRUTURA EM PARALELO
Estruturas paralelas podem experimentar uma dinâmica
bastante complexa
ESTRUTURA EM PARALELO
Exemplos
ESTRUTURA EM RECICLO
Estruturas em Reciclo promovem a recuperação de material
e/ou energia.
São essenciais para a rentabilidade da operação, mas afetam
fortemente a dinâmica de funcionamento.
ESTRUTURA EM RECICLO
ESTRUTURA EM ESTÁGIO
REVISÃO
Elementos simples podem gerar dinâmicas
complexas quando combinados em estruturas
típicas de processo.
MALHAS DE
CONTROLE
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
O Conceito: Mostra detalhes do desenho da tubulação e da
instrumentação (P & I).
Vemos a posição do sensor, variável medida, a conexão com
o elemento final (válvula) e a localização do elemento final.
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
A realidade: são muitos elementos no circuito que afetam a
segurança, confiabilidade, precisão, dinâmica e custos.
Os engenheiros e técnicos precisam entender os detalhes!
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
O que afeta a resposta para o computador?
Faça um degrau (sem controle fechado)
MATLAB / SIMULINK
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
Estratégia utilizada:
Ação da válvula:
Ar para abrir
Ação do controlador:
FEED BACK.
Inversa
Parâmetros:
PV: pressão dentro do vaso
MV: vazão de ar de entrada
VS: vazão de ar de saída; nível
do vaso
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
Estratégia de controle:
Ação da Válvula:
Ar para abrir
Ação do controlador:
FEED BACK
Inversa
Parâmetros:
PV: vazão para o vaso
MV: vazão para o vaso
VS: pressão do vaso
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
Estratégia de controle:
Ação da Válvula:
Ar para fechar
Ação do controlador:
FEED BACK.
Inversa
Parâmetros:
PV: nível do vaso
MV: vazão de saída
VS: vazão de entrada;
pressão do vaso
CONTROLADORES PID
UM POUCO DE HISTÓRIA
Grandes fases do controle realimentado
Gregos e Árabes: Relógios d’água – 3 0 0 AC a 1 2 0 0 DC
Revolução industrial na Europa – Século 1 9
Domando o ambiente e investindo em conforto
Crescimento da comunicação e guerras mundiais –
1 9 1 0 a 19 4 5
Homem preocupado em entender seu lugar no tempo
e espaço
Ocupando espaço no globo
Início da era espacial e da computação – 1 96 0 .
Ocupando espaço no cosmo
Precursores do Controle Proporcional
Regulador de vazão em relógios de água, de Ctesibius
de Alexandria – 3 0 0 AC
Regulador Centrífugo (Flyball Governor), de James
Watt – 1 7 8 8
Primeiro Controle PID
Desenvolvido para o controle de direção de navios
– Minorsky, N., “Directional Stability and Automatically
Steered Bodies,” J. Am. Soc. Nav. Eng., Vol. 3 4 , p.2 8 0 ,
1 9 22 .
Primeiros Controladores PI & PID
• 1931: Foxboro Model 10 Stabilog: PI
• 1933: Taylor lança controlador “Double-Response”
• 1939: Taylor Model 100 Fullscope: PID (Proporcional, reset e
pre-act), totalmente ajustável
• 1939: Foxboro incorpora “Hyper-reset” ao Model 10 Stabilog,
tornando-o PID. Somente P ajustável. 4 ajustes fixos de I+D
Dificuldade: Ajuste de Parâmetros
Não existia metodologia estabelecida para ajuste dos
parâmetros de controle necessários à estabilização do
processo.
Pesquisadores da Taylor iniciaram pesquisas, resultando
no clássico trabalho:
"Optimum settings for automatic controllers“, J. B. Ziegler
and N. B. Nichols, ASME Transactions, v64 (1942), pp.
759-768.
John B. Ziegler
Nasceu em Portland, Oregon, em 1909. Sua mãe morreu quando
ele tinha três anos, graduou-se em Engenharia Química na
Universidade de Washington em 1933.
Ziegler, trabalhando com o matemático Nathaniel Nichols na Taylor
Instruments no início dos anos 1940, concebeu o método agora
famoso de ajuste de controladores proporcional-integral-derivativo
(PID)
Suas descobertas, apresentado à American Society of Mechanical
Engineers, em 1941, foram criticados por muitos na época como
blasfêmia. No entanto, as regras de Ziegler-Nichols sobreviveram
e ainda estão em uso como abordagens para o próximo milênio.
John Ziegler, um dos gigantes no campo da medição e do controle,
morreu 09 de dezembro de 1997, em Scottsdale, Arizona aos 88
anos
Nathaniel B. Nichols
Nathaniel Nichols nasceu em 1914 em Michigan. Ele completou seus
estudos de graduação na Central Michigan University, em 1936, onde
obteve seu diploma de bacharel. Mais tarde, obteve seu mestrado em
Física pela Universidade de Michigan em 1937.
Este pioneiro do controle foi premiado várias vezes por suas
contribuições. Recebeu dois doutorados honorários, um da Case
Western Reserve University e outro da Universidade de Michigan, onde
estudou.
A Carta de Nichols foi uma grande contribuição para a história do
controle que motivou que Nichols fosse homenageado com a criação da
medalha IFAC Nichols, que premia pessoas que fizeram contribuições
importantes para o controle.
N. B. Nichols faleceu em 17 abril de 1997 depois de sofrer uma longa
doença.
CONTROLADOR PID
CONTROLADOR PID
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
CONTROLADOR PID
MODO PROPORCIONAL
Amplitude da correção é proporcional
a amplitude do desvio
AC => AD
CONTROLADOR PID
MODO INTEGRAL
CONTROLADOR PID
MODO INTEGRAL
CONTROLADOR PID
MODO INTEGRAL
CONTROLADOR PID
MODO P+I
Um aumento excessivo da ação integral (diminuição de Ti),
aumenta a instabilidade do processo.
O resultado é um compromisso entre a velocidade e a estabilidade
CONTROLADOR PID
MODO P+I
CONTROLADOR PID
MODO INTEGRAL
Velocidade da correção é proporcional
a amplitude do desvio
VC => AD
CONTROLADOR PID
MODO DERIVATIVO
CONTROLADOR PID
MODO DERIVATIVO
CONTROLADOR PID
MODO DERIVATIVO
O objetivo da função derivativa é compensar os efeitos do
tempo morto do processo.
Tem um efeito estabilizante mas um valor excessivo pode
gerar uma instabilidade.
A saída do controlador derivativo é proporcional a derivada
do erro (PV-SP).
A ação derivativa tem o efeito de compensar o tempo morto
do processo. Ela estabiliza a malha, mas um valor excessivo
pode levar a mesma a oscilação ( instabilidade ).
CONTROLADOR PID
MODO PI e PID
Sem Off-set
CONTROLADOR PID
MODO DERIVATIVO
Amplitude da correção é proporcional
a velocidade do desvio
AC => VD
CONTROLADOR PID
CONTROLADOR PID
QUAL TIPO DE PID UTILIZAR?
Tipo de
controlador
Proporcional
P
Proporcional+Int
egral
PI
Equação do controlador
Out (t ) = Kc.(SP − PV ) + bias
ou
100
Out (t ) =
⋅ (SP − PV ) + bias
BP

1
Out (t ) = Kc.ε +
τI

ou
t
Vantagens
Simples
Poucos
parâmetros

∫ ε .dt  + bias
0
t
Desvantagens
Elimina off-set
permite off-set
2 parâmetros a ajustar
Pode causar oscilação
Out (t ) = Kc.ε + I .∫ ε .dt + bias
0
Proporcional+
Integral
+ Derivativo
PID
dε 
ε
.
dt
+
τ
⋅
 + bias
D
∫0
dt 
ou
t
dε
Out (t ) = Kc.ε + I .∫ ε .dt + D ⋅
+ bias
dt
0

1
Out (t ) = Kc.ε +
τI

t
Fonte: Ricardo Kalid / LACOI – DEQ – UFBA
[email protected] ou [email protected]
Elimina off-set
Diminui a
oscilação
Resposta vigorosa a
mudança no setpoint
3 parâmetros a ajustar
Muito sensível a ruído
Resposta vigorosa
a mudança no setpoint
QUAL TIPO DE PID UTILIZAR?
Tipo de controlador
Proporcional
P
NÃO é recomendado
para
Recomendado para
L (nível)
P (pressão)
F (vazão)
L (nível)
P (pressão)
F (vazão)
T (temperatura)
T (temperatura)
A (composição)
Controlador escravo
da malha cascata
Proporcional+Integral
PI
A (composição)
L (nível)
P (pressão)
F (vazão)
Variável muito lenta
Variável muito lenta
Integral + Proporcional
I-P
Proporcional+ Integral
+ Derivativo
PID
Integral + Proporcional
+ Derivativo
I-PD
T (temperatura)
A (composição
Controlador escravo
da malha cascata
T (temperatura)
L (nível)
A (composição
F (vazão)
T (temperatura)
A (composição
Fonte: Ricardo Kalid / LACOI – DEQ – UFBA
[email protected] ou [email protected]
L (nível)
F (vazão)
Controlador mestre
CRITÉRIOS DE
ESTABILIDADE
ISE (integral ou soma do erro quadrático) para faixa de
valores de kc e ki de controlador PI.
PARA MUDANÇA NO SET-POINT
PARA MUDANÇA NO SET-POINT
PARA UMA MUDANÇA NO PV
QUAL É O MELHOR RESPOSTA?
QUAL É O MELHOR RESPOSTA?
SINTONIA DE
CONTROLADORES
SINTONIZAR O PID
• Como podemos aplicar a mesma equação para muitos
processos?
• Como alcançar o desempenho dinâmico que desejamos?
•Os parâmetros ajustáveis são chamadas de constantes ajustes.
•Podemos combinar com os valores do processo de forma a
influir no desempenho dinâmico
SINTONIZAR o PID
Variavel Manipulada
manipulada
SINTONIZAR o PID
Variavel Manipulada
SINTONIZAR o PID
1 – Dinâmica do processo
ordem superior
com tempo morto
Primeira ordem
com tempo morto
instável
integrador
subamortecido
SINTONIZAR o PID
1 – Dinâmica do processo
ordem superior
com tempo morto
Primeira ordem
com tempo morto
Iremos desenvolver
correlações de ajuste para
essas dinâmicas.
São as que ocorrem
comumente
MÉTODO DA CURVA DE REAÇÃO
A resposta deverá ter uma forma
em S (em situação contrária o
método não é aplicável).
O procedimento normal no
ajustamento dos parâmetros por
este método, consiste na
abertura da malha para que não
haja realimentação e na
obtenção da sua resposta a uma
variação em degrau (amplitude
M) na entrada.
A curva em S4 pode ser
caracterizada por duas
constantes,
o atraso L
e a constante de tempo T,
...sendo estas determinadas se
passarmos uma tangente pelo
ponto de inflexão da curva.
Nos pontos onde a tangente intercepta
o eixo das abscissas e a linha horizontal
com ordenada k, obtemos L e T,
respectivamente.
Resposta (variável de saída) de processo de primeira
ordem a um degrau na variável de entrada.
MÉTODO DA CURVA DE REAÇÃO
Uma vez obtidos experimentalmente
L, T e N (= K/T),
Recorre-se à tabela seguinte para determinar os
valores dos parâmetros dos controladores.
MÉTODO DA SENSIBILIDADE LIMITE
Este método, baseado no ajuste de uma malha
fechada até se obterem oscilações com
amplitude constante.
Utiliza um conjunto de fórmulas para determinar
os parâmetros do controlador, as quais
requerem duas medidas do sistema:
Ganho
critico (Gu: o ganho mínimo que torna o
processo criticamente estável), e
Período de oscilação correspondente, Pu
Respostas do sistema de topo de debutanizadora com
controle proporcional e diferentes constantes de
proporcionalidade Kc.
A MALHA DE CONTROLE FEEDBACK
MÉTODO DA SENSIBILIDADE LIMITE
Anotar o ganho, Gu, e o
período de oscilação Pu;
Com a obtenção destes
valores, podemos calcular
os parâmetros do
controlador com base nas
seguintes fórmulas:
REFERÊNCIA
Dillenburg, Marcos R. INDO ALÉM DO CONTROLE P.I.D.
Novus. 2007
Marlin, Thomas. McMaster University (Imagens e scripts
HTML)
http://www.pc-education.mcmaster.ca/Lecture_Slides/Chap_01_Marlin_2002.pdf
http://www.pc-education.mcmaster.ca/Lecture_Slides/Chap_05_Marlin_2002.pdf
http://www.pc-education.mcmaster.ca/Lecture_Slides/Chap_08_Marlin_2002.pdf
http://www.pc-education.mcmaster.ca/Lecture_Slides/Chap_09_Marlin_2002.pdf
OBRIGADO !!!!
Prof. José Lamartine de A. L. Neto
IFBA - DTEE - Coordenação de Automação
Rua Emídio dos Santos, S/N, Barbalho
Salvador, BA - CEP: 40301-015
fone: +55-71-2102 9540
+55-71-8896 2348
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Traduzido por:
Lucas Vinicius Ipirapininga Pitanga - [email protected]
Carolina Oliveira Barbosa - [email protected]
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