Princípios e aplicações do controle em cascata

Thread Content

Princípios e aplicações do controle em cascata. A Yunnan Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. explica, por meio de exemplos práticos, os princípios do controle em cascata, a escolha dos instrumentos necessários para esse tipo de controle e as maneiras de definir os parâmetros do sistema de controle em cascata. O objetivo do uso do controle em cascata nas indústrias é melhorar a resposta ao estímulo externo e limitar o intervalo de controle da carga. 1. Melhoria da resposta a perturbações por meio de controle por feedback. O objetivo do uso de um controlador de temperatura para fins de medição e controle é fazer com que o estado do objeto a ser controlado (a temperatura medida) se aproxime rapidamente do valor desejado (a temperatura definida, etc.). Diante de qualquer perturbação, procura-se que a diferença entre o valor desejado e o estado do objeto a ser controlado seja zero. Então, como o controle por feedback consegue suprimir a desordem no estado de controle causada por perturbações? Como mostrado na Figura 1, o controle da temperatura do líquido medicinal por meio de um termostato é ilustrado a seguir. Figura 1: Sistema de controle de feedback simples. Configuração dos componentes de um sistema de controle de feedback simples: 1. Sensores no local; 2. Atuadores (válvulas de regulação, conversores de frequência, etc.); 3. Controlador de temperatura de circuito único. Para aplicações que exigem controle de temperatura em condições de grande atraso, é recomendável utilizar controladores com algoritmos de inteligência artificial ou controle fuzzy, além de capacidade de autotuneamento, a fim de evitar superregulação e subregulação nessas condições. Esse sistema de controle por feedback de temperatura simples utiliza a abertura das válvulas para alterar o fluxo de vapor, com o objetivo de controlar a temperatura do líquido a ser tratado. As principais causas de perturbações nesse sistema são as variações na temperatura do vapor e nas pressões do mesmo. Se essas perturbações ocorrerem neste sistema de controle, e for utilizado o controle por realimentação, como esses efeitos se manifestam como mudanças na temperatura do líquido medicinal, não é possível corrigi-los por meio do controlador de temperatura. Por isso, é difícil reduzir rapidamente a confusão causada pelas perturbações. Figura 2: Resposta quando a temperatura do vapor diminui. 2. Melhoria da resposta às perturbações por meio do uso em conjunto com controle feedforward. No sistema de controle mostrado na Figura 1, se for possível medir as variações na temperatura do vapor, e se souber exatamente qual é a correção necessária (valor de saída MV), então o uso em conjunto com controle feedforward permite melhorar os efeitos causados pelas variações na temperatura do vapor, em comparação com o uso apenas do controle feedback. Figura 3: Sistema de controle feedforward. Configuração dos componentes do sistema de controle feedforward: 1. Sensores no local; 2. Atuadores (válvulas de regulação, conversores de frequência, etc.); 3. Regulador PID de circuito único. Para aplicações que exigem controle de temperatura em condições de grande atraso, é recomendável usar reguladores com algoritmos de inteligência artificial ou controle fuzzy, além de capacidade de autotuning, a fim de evitar excessos ou deficiências no controle, mesmo em condições de grande atraso. 4. Módulos de operações aritméticas de adição e subtração. A Figura 3 mostra o sistema de controle feedforward: ele detecta a temperatura do vapor. Quando há mudanças na temperatura do vapor, essas mudanças podem ser corrigidas rapidamente. Dessa forma, as variações na temperatura do vapor podem ser mantidas dentro de limites mínimos. No entanto, como a temperatura do líquido medicamentoso não é afetada pela vazão de vapor, geralmente é difícil determinar corretamente a vazão de vapor (a relação entre as perturbações e as mudanças no estado da temperatura). Por isso, há limitações na melhoria dos resultados de controle por meio do uso do controle feedforward. Além disso, como o sistema de controle feedforward da Figura 3 compensa apenas a temperatura do vapor, ele não tem efeito nas variações de pressão do vapor. 3. Melhoria da resposta a perturbações por meio de controle em cascata. No sistema de controle mostrado na Figura 1, as perturbações assumidas são “variações na temperatura do vapor” e “variações na pressão do vapor”. Em ambos os casos, essas variações se refletem em mudanças na energia fornecida ao líquido medicinal, o que, por sua vez, causa alterações na temperatura desse líquido. Portanto, presume-se que, mesmo que a temperatura ou a pressão do vapor varie, se a energia fornecida ao líquido medicinal pelo vapor puder ser mantida constante, a temperatura do líquido medicinal deverá permanecer estável. Sob esse ponto de vista, trata-se de um sistema que detecta a temperatura na parte inferior do tanque contendo o líquido medicamentoso, responsável por fornecer energia ao mesmo, e a utiliza no circuito de controle. Figura 4: Sistema de controle em cascata. Configuração dos instrumentos no sistema de controle em cascata: 1. Sensores de campo; 2. Atuadores (válvulas de regulação, conversores de frequência, etc.); 3. Regulador PID de circuito único. Para aplicações que exigem controle de temperatura com grande atraso, é melhor utilizar reguladores com algoritmos de inteligência artificial ou controle fuzzy, além de capacidade de autotuneamento, para evitar superregulação ou subregulação nessas condições. 4. Regulador de entrada externa. Como mostrado na Figura 4, os dois reguladores operam em série, sendo que a saída de um dos reguladores serve como valor de entrada para o outro regulador. Esse método de controle é chamado de “controle em cascata”. O funcionamento é o seguinte: o regulador MASTER tem como objetivo manter a temperatura do líquido medicinal no valor desejado, determinando assim a temperatura na parte inferior do tanque de armazenamento do líquido medicinal. Em seguida, esse valor é transmitido ao regulador SLAVE, que controla a temperatura real do líquido medicinal. O controlador de temperatura SLAVE (escravo) tem como função determinar a “abertura de saída”, de modo que a “temperatura na parte inferior do tanque com o líquido medicinal” fique no valor da temperatura alvo definida pelo controlador MASTER (principal). Figura 5: Diagrama de blocos do circuito de controle em cascata.
SV: Temperatura alvo do líquido químico.
FL: Vazão de vapor.
SVs: Temperatura alvo na parte inferior do tanque com líquido químico.
PVS: Temperatura medida na parte inferior do tanque com líquido químico.
MV: Abertura da válvula de controle de vazão.
PV: Temperatura medida do líquido químico.
G1: Característica de resposta da temperatura na parte inferior do tanque em relação à vazão de vapor.
G2: Característica de resposta da temperatura na parte inferior do tanque em relação à temperatura medida do líquido químico.
No sistema de controle em cascata, sempre que a temperatura ou pressão do vapor muda, o controlador SLAVE detecta essa mudança como uma variação na temperatura da parte inferior do tanque. Para que a diferença de temperatura em relação ao valor alvo definido pelo controlador MASTER seja “0”, a abertura da válvula de controle é ajustada. Assim, pode-se concluir que esse sistema consegue suprimir mais rapidamente as flutuações de temperatura causadas por perturbações, em comparação com um sistema de controle por feedback simples, como mostrado na Figura 1. Figura 6: 4. Limitação da faixa de controle da carga por meio de controle em cascata. Figura 7: Sistema de controle de temperatura de circuito único. Figura 8: Sistema de controle de temperatura em cascata. Se o valor de saída do controlador for de 100%, é possível que o aquecedor se queime. Para controlar a temperatura do aquecedor em níveis inferiores a 600°C, é necessário o controle em cascata mostrado na Figura 8. Se desejar definir a faixa de entrada do controlador de temperatura secundário entre 0 e 600°C, então a saída em MV do controlador de temperatura principal, que varia de 0% a 100%, corresponderá ao valor-alvo SV do controlador de temperatura secundário, que também será de 0 a 600°C. Dessa forma, a temperatura do aquecedor poderá ser mantida abaixo de 600°C. 5. Resumo do controle em cascata: Será que entendi como o controle em cascata melhora as características de resposta às perturbações? Figura 9: Diagrama de blocos do circuito de controle em série. Como mostrado na Figura 9, o circuito de controle em série é composto por 2 circuitos. O circuito que tem como objetivo controlar a grandeza de controle (PV) é chamado de “circuito MASTER”. Já o circuito localizado dentro do “circuito MASTER” é chamado de “circuito SLAVE”. 6. Para que o controle em cascata obtenha bons resultados, é necessário que sejam atendidas as seguintes condições: ① É preciso que seja possível formar um circuito subordinado. ②A perturbação ocorre no circuito secundário. ③Quanto ao atraso na velocidade de resposta do objeto de controle principal, o atraso na velocidade de resposta do objeto de controle secundário é menor. Por favor, note que, se as condições acima não estiverem satisfeitas, o controle em cascata não conseguirá melhorar adequadamente a resposta às perturbações que ocorrem no circuito principal; portanto, o controle em cascata não oferecerá bons resultados de controle. Ser capaz de ajustar com habilidade os parâmetros PID e colocar o sistema de controle automático em modo automático representa o nível de competência em automação dos engenheiros. No entanto, muitas pessoas na verdade não dominam o controle PID nem o ajuste de seus parâmetros.