IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONTROLE CLÁSSICO EM UM REATOR CSTR COM REAÇÃO EXOTÉRMICA

IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONTROLE CLÁSSICO EM UM REATOR CSTR COM REAÇÃO EXOTÉRMICA  

Brunno Azevedo, Hebert Santos, Irineu Silva, Mateus Anselmo, Rodrigo Rodrigues

Universidade Federal da Bahia - R. Prof. Aristídes Novis, 2 - Federação, Salvador - BA, 40210-630

1. Introdução

O controle de processo nos variados sistemas presentes no cotidiano é uma das metodologias mais essenciais numa indústria e/ou meios onde diversas atividades precisam de cuidados operacionais para manterem níveis de segurança nos limites de operacionalidade. A teoria de controle atua preventivamente sobre os possíveis distúrbios, aumentando os níveis de qualidade dos produtos, aumentando a confiabilidade dos sistemas, atuam nos níveis de segurança das unidades e promovem maiores critérios de operação, pois, a necessidade de trabalhos repetitivos por meio humano serão dispensados.

Neste material será apresentado uma estratégia de controle clássico, com controladores PID, para o nível, concentração e temperatura do produto em um reator CSTR com reação exotérmica, cinética de primeira ordem e com camisa de resfriamento com o intuito de obter a melhoria contínua e a otimização do processo.

O objetivo é avaliar e comparar o comportamento de uma planta industrial, de comportamento não linear, onde foram aplicadas as técnicas do controle convencional (clássico), verificando o seu desempenho de controlabilidade perante as particularidades e incertezas operacionais. O projeto do controle foi realizado com a utilização do Software MATLAB/SIMULINK.

   2. MÉTODO APLICADO PARA O CONTROLE

Quando o sistema em malha fechada não atende os requisitos de projeto em termos de desempenho em regime e transitório desejados, deve-se modificar a função de transferência através do uso de um controlador ou compensador. Este controlador deve ter as propriedades adequadas para modificar as características do sistema, para que os requisitos de projeto sejam atingidos. Embora diversas estruturas de controle possam ser usadas, os controladores são geralmente escolhidos dentre alguns tipos básicos de estrutura, o que facilita a análise do seu comportamento e o projeto dos seus parâmetros. [4]

O controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é certamente o controle mais tradicional na indústria. [1]

Um controlador PID calcula inicialmente o erro entre sua variável controlada (medida no processo) e o seu valor desejado (setpoint), e em função deste erro gera um sinal de controle, de forma a eliminar este desvio. [1]

O projeto de sistemas de controle visa obter um desempenho do sistema tal que, o sistema seja estável, a resposta transitória do sistema seja aceitável e que o erro em regime permanente atenda às especificações. [4]

Para se obter tal desempenho, o primeiro passo consiste no ajuste dos parâmetros do sistema de modo a atender as especificações já citadas acima.

O processo em destaque possui 06 entradas e 04 saídas, sendo 03 entradas manipuladas e 03 saídas controladas. As variáveis manipuladas, vazão de entrada, vazão de saída e vazão da jaqueta de resfriamento se relacionam, respectivamente com a concentração final do produto, nível e temperatura de saída do produto (figura 01).

Para a obter as funções de transferências de cada uma das variáveis manipuladas em relação as variáveis controladas foram necessárias aplicações de sinais de excitação (PRBS - Pseudo Random Binary Signal) para estimação dos parâmetros e determinação do melhor modelo para o processo.

[pic 1]

Figura 01 – Estrutura do equipamento a ser controlado.

As manipulações das variáveis de entrada foram orientadas pela análise das EDOs (equações 1 a 4) oriundas do sistema estudado.

[pic 2]                                                                           (1)

[pic 3]                                           (2)

[pic 4]  (3)

[pic 5]                              (4)

As técnicas de controle utilizadas no método clássico serão por realimentação (Feedback), onde, apesar do processo ser multivariável, os controles trabalharão em sistema SISO (Single Imput Single Output) de acordo com a sua respectiva malha de operação.

A estrutura do controlador PID pode ser expressada pela equação 05.

[pic 6]           (5)  

Os coeficientes (B/A) e (C/A) são necessariamente do tipo (1/T1) e T2, onde T1 e T2 são constantes de tempo.

Aplicando a transformada de Laplace na equação 5 obtemos a forma algébrica para o controlador PID (equação 06).

[pic 7]                                                 (6)

O método utilizado para a sintonia dos controladores foi a do IMC (Internal Model Control) após as funções de transferências serem obtidas pela estimação dos parâmetros.

Ajustes manuais precisaram ser feitos nas funções dos controladores de modo a obter a resposta desejada (setpoint).

Uma grande vantagem da sintonia pelo IMC é que o desempenho do controlador está associado com a razão da constante de tempo de malha fechada (λ – parâmetro do método) com a de malha aberta. [1]    

A tabela 01 mostra as funções de transferências para cada par de caso.

Pela análise das dinâmicas da malha aberta, percebeu-se que a constante de tempo dominante para a temperatura foi de 16 minutos e o da concentração foi de 22 minutos.

[pic 8]Tabela 01 – Funções de transferências após estimação dos parâmetros

3. RESULTADOS

Após o ajuste dos parâmetros dos controladores, as malhas foram fechadas e pelo Matlab/Simulink o exemplo pôde ser simulado.

Foi observado que para diferentes faixas de setpoints para o nível, concentração e temperatura os controladores mudaram significativamente a sua dinâmica, ou a simulação foi interrompida devido a erros numéricos. Com isso, houve a necessidade de encontrar novos parâmetros para os controladores, a fim de obter novas dinâmicas que atendessem bem ao processo.