Malhas de Controle Avançado.pdf

Malhas de Controle Avanado

Departamento de Engenharia Qumica e de Petrleo UFF

Profa Ninoska Bojorge

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Introduo2

Ser abordado alguns componentes chaves de simples de controle mais complexos:1. Controle Feedforward2. Controle em Cascata;3. Controle Baseado em Modelo4. Controle Seletivo e Override, Razo e Fuzzy5. Controle PID Adaptativo 6. Controle de Processo Multivariveis7. Processos com tempo morto grande: MPC

A questo chave determinar as variveis de controle que devem ser escolhidas para se controlar um determinando processo;Outro problema a ser discutido a questo da interao entre diferentes malhas de controle.

Controle Realimentado

Feedback control tem a forma geral:

Caractersticas do Controle Feedback Sada o processo deve ser alterada antes que qualquer ao seja tomadaPerturbaes so apenas compensadas depois que afetam o processo

GpGc

Gm

Y(s)

Ym(s)

R(s) U(s) ++ +GD

Gv

D(s)

-

3Relembrando

1. Controle Feed forward

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Tcnicas de Controle Avanado

Controle Antecipatrio

Arquitetura FeedforwardProblemas com o controle de Feedback Combinao do Feedforward e Feedback Exemplo: Tambor de FlashCritrios de tempo mortoTeoria do FeedforwardComparao visual entre controle antecipado e nico malha

o que vamos aprender nesta seo5

Controle Antecipatrio

Arquiteturas melhoradas para a rejeio de perturbaes:

FeedForwardCascata

Ambas requerem instrumentao adicional e tempo de engenharia, a fim de obter um controlador mais capaz de rejeitar perturbaesNenhuma destas arquiteturas tem beneficio nem diminui o desempenho do monitoramento do setpoint

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Arquitectura do Controle Antecipatrio

Feed forward no requer uma varivel de processo secundria 7

set point

Varivel de processo medida

Elementofinal

controle

Processo secundrio

FeedbackController

Processo Primrio

PerturbaoProcesso I

+++

PerturbaoProcess II

++Varivel de processo medida

Perturbaovarivel I

Perturbaovarivel II

feedforward pode melhorar efeito de cada perturbao

Essa configurao de controle Feedback ou Feedforward?Como podemos usar o fluxo de entrada do termopar para regular as perturbaes naentradas?Ser que isto vai se tornar um controlador Feedforward ou Feedback?

TTTC1

Ps

Condensado

vapor

F,Tin

F,T

TT

Tanque agitado aquecido

Controle Antecipatrio 8

Ps

Condensado

vapor

F,Tin

F,T

TT

Tanque agitado aquecido: uma sugesto de controle

TC1

++TT TC2

Como opera o TC2?

Controle Antecipatrio 9

Problemas com o controle Feedback

No Controle Feedback entra em ao somente aps a varivel de processo medida foi afastada do setpoint efeito negativo na estabilidade em progresso antes do controlador feedback tradicional inicie a responder

Algumas perturbaes originrias de outra parte da planta ou de uma srie de eventos que ocorrem e causam perturbaes distantes" e que podem influir no processo A partir deste ponto de vista, o controlador Feedback comea demasiado tarde para ser eficaz na reduo da incidncia da perturbao.

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Combinao do Feedforward com o Feedback

O controlador Feedforward mede a perturbao, enquanto ainda "distante"O elemento Feedforward recebe o sinal de perturbao e computa aes de controle preventivos, que so combinados com a ao tradicional do controle Feedback

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ysetpoint

Varivel de processo medida

FeedbackControlador

Perturbaes na Varivel doProcessos

+

D(t)

++

sensor

Elemento FeedForward

Modelo Perturbao

Modelo Processo

++Sado do controlador

Varivel de Processoinflui no comportam.

ufeedforward

ufeedback utotaly(t)

utotal a sada do controlador feedbackmenos a sada do sinal Feedforward

ydisturb

yprocesso

disturbance

processo

Combinao do Feedforward com o Feedback

A implementao Feedforward requer::aquisio e instalao de um sensorconstruo de um elemento Feedforward composta do modelo de processo e da perturbao

O modelo de perturbao recebe o sinal de perturbao, d(t), e prev um "perfil de impacto" de quando e por quanto a varivel de processo medida, y(t), vai mudarDada esta sequncia de interrupo, o modelo de processo, ento, prev uma srie de aes de controle, ufeedforward, que ir reproduzir exatamente este comportamento Um sinal negativo permite "aes contrrias previso" de modo a anular o efeito sobre a varivel de processoSada total do controlador : Utotal = Ufeedback Ufeedforward

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Combinao do Feedforward com o Feedback

Os modelos devem ser programados no computador de controle Como os modelos lineares nunca descrevem exatamente o comportamento real do processo, o Feedforward no ir fornecer rejeio perfeitas das perturbaes,Tarefas do Controle Feedback :

rejeitar a parte da perturbao medida aps o elemento Feedforwardtrabalhar para rejeitar as perturbaes no medidaspermitir o controle do setpoint, conforme necessrio

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Controle Antecipatrio

Assume que D(s)pode ser medida antes que afeta o processo efeito da perturbao no processo pode ser descrito com um modelo de GD(s)

Controle Feedforward possvel.

GpGc

Gm

Y(s)

Ym(s)

R(s)

U(s) ++ +

GD

Gv

Gf

+ +

D(s)

Controlador Feedforward

Estrutura de controle Feedback/Feedforward

Controle Antecipatrio 14

Controle Antecipatrio

De um ponto de vista geral, todo processo tem trs tipos de variveis: controladas, manipuladas e de perturbaes.

Utilizando o controle por realimentao, a VP medida, comparada com um SP, e a VM ajustada at que a VP esteja prximo do SP.

No Controle Antecipatrio a perturbao medida, e baseada num valor do SP para a VP calculado o valor necessrio para a VM, de maneira a evitar que a VP seja alterada.

Uma necessidade, ento, que as perturbaes possam ser medidas.

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O controle antecipatrio tanto pode ser usado parasistemas lineares quanto para sistemas no lineares,entretanto, ele requer um modelo matemtico dosistema.

Para se projetar o controle antecipatrio preciso umconhecimento especial sobre o processo. Esta umadas razes da limitao da aplicao prtica docontrole antecipatrio. Precisam ser bem conhecidostanto os ganhos em regime estacionrio quanto asconstantes de tempo e os tempos mortos querepresentam o processo.

Controle Antecipatrio 16

Controle Antecipatrio

A estratgia de controle Feedforward esquematizada como:

Gp Y(s)U(s) ++

GD

Gv

Gf

+ +

D(s)

UR(s)

Y s G s D s G s G s U sY s G s D s G s G s U s G s D s

Y s G s G s G s G s D s G s G s U s

Y s G s G s G s G s D s Y s

D P v

D P v R f

D p v f p v R

D p v f R

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ( ) ( ) ( ))

( ) ( ( ) ( ) ( ) ( )) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ( ) ( ) ( ) ( )) ( ) ( )

= += + +

= + +

= + +

Funo de Transferncia:

Controle Antecipatrio 17

A estratgia de controle Feedforward esquematizada como:

Gp Y(s)U(s) ++

GD

Gv

Gf

+ +

D(s)

UR(s)

O monitoramento de YR exige que

G s G s G s G s

G s G sG s G s

D p v f

fD

p v

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( ) ( )

+ =

=

0

Controle Antecipatrio 18

o cancelamento exato requer a planta perfeita e modelos exatos de perturbao.

Controle Feedforward: muito sensvel a erros de modelagem no pode lidar com distrbios no medidos no pode implementar-se mudanas de setpointRequer do controle feedback para obter um sistema de controle mais robusto.

G s G sG s G sf

Dp v

( ) ( )( ) ( )

=

G s G s G s G sD p v f( ) ( ) ( ) ( )+ 0

Controle Antecipatrio 19

O controle Feedforward ideal:

Qual o impacto de Gf sobre o desempenho da malha fechada do sistema de controle de realimentao?

GpGc

Gs

Y(s)

Ym(s)

R(s)

U(s)+

+ +GD

Gv

Gf

+ +

D(s)

Controle Antecipatrio Controle Feedback/Feedforward20

Controle Antecipatrio Controle Feedback/Feedforward21

Funo de transferncia da malha de controle FF/ FB

Controle ideal requer que (como visto anteriormente)

C sD s

G s G s G s G sG s G s G s G s

D f v p

c v p m

( )( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

=+

+1

G s G sG s G sf

Dv p

( ) ( )( ) ( )

=

G s K ssf f

( ) ( )( )

=++

1

2

11

G s KK Kf

Dv p

( ) =

Controle Antecipatrio 22

Nota:Controlador feedforward no afeta a estabilidade em malha fechadaControlador feedforward com base em modelos de plantas pode ser irrealizvel (tempo morto ou zeros RHP)Pode ser aproximado por uma unidade de lead-lag ou ganho puro (raro)

Exemplo:Processo do tambor de Flash

Controle Feedback tradicionalSe a diminuio de presso ocorre rapidamente, o controlador pode ser realmente abrir a vlvula ainda a taxa de fluxo de lquido de descarga pode continuar a diminuirResposta do controlador comea tarde e no pode efetivamente minimizar o impacto da perturbao

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VlvulaFlash

LC Lsetpoint

Variao de Presso Jusante(uma perturbao)

P

vapor

liquido

posio da vlvula manipulada para controlar o nvel do lquido

Alimentao

liquidocondensado

Vapor do topo

Exemplo:Processo do tambor de Flash

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Vlvula Flash

LCLsetpoint