Estratégias de Controle de Nível

Nesta seção, apresentaremos as estratégias de controle de nível que são o controle em cascata e o controle override. Essas estratégias são utilizadas como alternativas ao tradicional controle por realimentação, no entanto, não substituem o controlador por realimentação convencional, mas são alterações ou adições que possibilitam melhorar o desempenho do sistema de controle.

Controle em Cascata

É um método simples, envolvendo dois controladores por realimentação em cascata. O controle em cascata é definido como a configuração onde o sinal de saída de um controlador é o set point gerado para o outro controlador.

A estratégia de controle em cascata é mostrada na Figura 5.

A estratégia de controle em cascata consiste em utilizar um controlador PID (chamado na Figura 5 de PID mestre) para gerar o set point para outra malha de controle (PID escravo). Assim, o PID escravo em uma malha de nível corresponde ao controlador para uma válvula de controle que manipula a vazão de saída (malha de vazão - malha secundária) e o PID mestre corresponde ao respectivo controlador de nível do processo (malha de nível - malha principal). Dessa forma, caso haja perturbações que interfiram na saída (PV1) da malha escrava, as mesmas são corrigidas antes de interferir no processo externo (saída $PV_2$).

Um dos benefícios do controle em cascata é o fato da malha secundária acelerar a resposta do processo visto pela malha principal. Assim, só há vantagem nessa estratégia se a constante de tempo da malha escrava for menor (uma malha mais rápida) do que a da malha mestre. Um dos critérios da malha escrava é que consiga eliminar rapidamente os efeitos das perturbações, por isso a exigência de ter dinâmica mais rápida, pois tendo uma dinâmica consideravelmente lenta em comparação com a do processo externo, a variável controlada sofre mais os efeitos de uma perturbação.

Em um controle convencional de nível, teríamos apenas um controlador (LC) para todo o sistema, conforme a Figura 6.

Na Figura 6, o controlador (LC) compara o valor desejado (SP) para o nível com o valor real que é transmitido pelo transmissor (LT), então será gerado um sinal pelo controlador (se houver diferença entre o valor desejado e o valor real) que é enviado para a válvula de controle, assim, haverá uma manipulação da vazão de saída com o objetivo de manter o nível no valor estabelecido. Uma desvantagem desse tipo de controle convencional, em que o controlador LC atua diretamente na abertura da válvula para ajustar o nível, é que pode existir uma não linearidade entre a abertura da válvula (definida pelo controlador LC) e a vazão do processo em função da característica instalada da válvula.

Considere agora, mostrada na Figura 7, a alternativa (controle em cascata) do controle de nível convencional da Figura 6.

No sistema da Figura 7, temos agora uma malha interna de controle de vazão (o controlador escravo é o FC) e uma malha externa de controle de nível (o controlador mestre é o LC). Como se deseja que a vazão de saída responda de forma suave na presença de perturbações, utiliza-se o controle em cascata em que a malha de nível gera os set points para a malha de vazão.

Quando ocorre um aumento na vazão de entrada, o nível aumentará e o controlador de nível aumentará o sinal do set point ($SP_2$) para o controlador da vazão de saída, fazendo com que a mesma aumente, retornando o nível do tanque ao valor do set point ($SP_1$) ajustado para o mesmo.

No caso da ocorrência de uma perturbação, como uma mudança na pressão na linha de descarga, o controlador de vazão (FC) ajustará a válvula de saída antes que o nível do tanque seja significativamente alterado (no caso do controle convencional o nível seria modificado pela influência da perturbação).

Agora, já podemos facilmente perceber a existência do controle em cascata na aula de Controle de Vazão, na qual temos um posicionador que funciona como o controlador escravo da malha de controle de posição da haste da válvula (malha escrava) e um controlador PI atuando na malha de vazão (malha mestre). Se preferir volte para a aula de Controle de Vazão e analise com maior cuidado a estrutura da malha de controle nos resultados experimentais. Não esqueça que o posicionador (controlador da malha escrava) consegue compensar algumas das não linearidades que podem existir na válvula de controle.

Campos e Teixeira (2010) apresentam regras para a sintonia de controles em cascata, que são as seguintes:

• Sintonizar a malha escrava primeiro e só depois, com ela em automático, sintonizar a malha mestre. Se a malha escrava for um controlador de vazão, deve-se usar preferencialmente um PI.
• Sintonizar as malhas escravas com parâmetros que as tornem rápidas, mas sempre procurando o menor sobrevalor (overshoot) possível.