Os sistemas de controle podem ser divididos em malha aberta e malha fechada. O sistema em malha aberta consiste em aplicar um sinal pré- determinado, esperando-se que ao nal de um determinado tempo a variável controlada atinja um determinado valor. Ou seja, o sistema de controle em malha aberta é aquele o qual a ação de controle é independente da saída.
46 Portanto a saída não tem efeito na ação de controle. Neste caso, a saída não
é medida e nem comparada com a entrada.
O sistema em malha fechada, ao contrário da malha aberta, a informa- ção é assim "realimentada", através de transdutores, da variável controlada para uma variável manipulada com o objetivo de atingir o valor desejado na variável controlada. O sistema de controle em malha fechada é aquele no qual a ação de controle depende, de algum modo, da saída. Portanto, a saída possui um efeito direto na ação de controle. Neste caso, a saída é sempre medida e comparada com a entrada a m de reduzir o erro e manter a saída do sistema em um valor desejado. A realimentação é a caracterís- tica do sistema de malha fechada que permite a saída ser comparada com a entrada. Geralmente a realimentação é produzida num sistema, quando existe uma sequência fechada de relações de causa e efeito entre variáveis do sistema. Quando a realimentação se processa no sentido de eliminar a defa- sagem entre o valor desejado e o valor do processo, esta recebe o nome de realimentação negativa. (65), classi ca os métodos de controle de processos em malha fechada em dois tipos: Feedback e Feedforward.
3.1.1.1 Malha de Controle Feedback
O controle Feedback apareceu pela primeira vez em 1774 com o desenvol- vimento do regulador centrífugo para o controle de velocidade das máquinas à vapor.
A forma tradicional de controlar um processo é medir, através de sen- sores, a variável que está a ser controlada, comparar o seu valor com o valor desejado, conhecido como setpoint ou referência, realimentar o sistema com essas informações gerando ou não uma diferença (erro) que irá alterar a va- riável manipulada para induzir a variável controlada a voltar para o valor desejado. A informação é assim "realimentada"da variável controlada para uma variável manipulada. Na Figura 3.1 é mostrado o diagrama de blocos de um sistema controlado pelo método Feedback.
A detecção de erros é a determinação da diferença entre a amplitude da variável controlada (PV) e um valor desejado, denominado referência ou
Figura 3.1: Controle de feedback em um processo (adaptado de (66)). setpoint (SP). Qualquer diferença entre os dois é um sinal de erro, que é ampli cado e condicionado a alimentar um elemento de controle. O contro- lador, por vezes, realiza a detecção, enquanto que o ponto de referência é normalmente armazenado na memória do controlador (66).
A perturbação, também conhecida como carga, atua no sistema de uma forma imprevisível e o objetivo do controle é manter o valor da saída da variável controlada (PV) igual a um valor desejado (SP). Essa comparação entre a PV e o SP pode gerar um erro (e), que deve ser eliminado pelo algoritmo de controle.
O controlador em Feedback basicamente mede a variável controlada do processo, compara com o valor desejado (setpoint), encontra o erro, e cal- cula uma saída de controle para modi car a variável manipulada até que o erro seja eliminado ou permaneça dentro de limites considerados como nulos. Desta forma, sempre que surgir uma oscilação no sistema, o controlador será capaz de atuar sobre o erro entre o setpoint e o valor da variável controlada e eliminá-lo. Infelizmente, na prática, não é bem assim que as coisas funcio- nam. As válvulas de controle possuem limites e saturam. É impossível abrir uma válvula mais que 100%. Inclusive, há casos onde a própria dinâmica do processo faz com que variações muito bruscas ocorram, seja por alteração de carga, ou mesmo por modi cação no valor do setpoint. Em algumas vezes, tal distúrbio acontece em tamanha magnitude, ou dura tanto, que um único controlador convencional não é capaz de controlar o sistema.
48 • Medir o valor da saída (vazão, pressão, nível de líquido, temperatura,
composição) usando o instrumento de medida conveniente;
• Comparar o valor controlado PV com o valor desejado, SP (set-point) da saída. Assim, de nimos (e = SP - PV );
• O valor do desvio é fornecido ao controlador. O controlador, por sua vez, muda o valor da variável manipulada (MV) de modo a reduzir a magnitude do desvio (e).
3.1.1.2 Malha de Controle Feedforward
Para (67), o tempo morto pode ser de nido como o tempo que transcorre entre o instante que é introduzida uma mudança na variável de entrada e o instante em que a saída do mesmo começa a mudar. Quando a razão entre o tempo morto e a constante de tempo do processo for grande, o controle com realimentação não é capaz de evitar grandes desvios do set-point em função das perturbações (40). Para evitar que prováveis distúrbios inter ram no processo pode-se fazer medições de perturbação e usar essas informações e nosso conhecimento do modelo de processo para fazer bons ajustes na va- riável manipulada antes que a perturbação inter ra na variável de controle. No controle feedforward observado na Figura 3.2, a perturbação ou distúr- bio é detectado ao entrar no processo e uma mudança apropriada é feita na variável manipulada de tal forma que a variável controlada é mantida constante. Deste modo podem-se tomar as medidas corretivas. Devido essa característica esse controle também é conhecido como controle antecipatório ou regulação preditiva. A imprecisão do modelo é um aspecto de segurança importante que di cilmente permite a implementação de estratégia feedfor- ward "puras". Em geral, o valor calculado pelo controlador feedforward é enviado a um controlador feedback, aumentando a robustez do sistema. 3.1.1.3 Controladores Feedback ON-OFF
Conforme apresentado na Figura 3.3, o controlador Feedback ON-OFF é modelado por um relé . Neste tipo de controlador o elemento atuante pos-
Figura 3.2: Controle feedforward em um processo (adaptado de (66)).
Figura 3.3: Controle de feedback ON-OFF (66).
sui apenas duas posições xas: ligado (ON ) ou desligado (OFF ). Trata-se de um controle relativamente simples e barato, sendo extensivamente utili- zado tanto em sistemas de controles industriais como domésticos. O controle on-o, evidentemente, não consegue manter a variável em um setpoint. O comportamento da variável controlada equivale a uma oscilação próximo aos valores equivalentes aos comandos on e o do controlador.
A função do controlador é receber o sinal da variável controlada e compará- la com o sinal do valor de referência para produzir o sinal de controle (u(t)) de modo a fazer com que a saída (y(t)) seja cada vez mais próxima do valor desejado. Portanto, a entrada do controlador é o sinal e(t) = referência (r(t)) - variável controlada (y(t)). Os vários tipos de controladores em "feedback" diferem no modo que eles relacionam a saída y(t) com a referência r(t). O si- nal de saída de um controlador "feedback" ON-OFF depende de sua constru- ção e seu sinal atuante pode ser um sinal pneumático (ar comprimido) para controladores pneumáticos ou um sinal elétrico para controladores elétricos.
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