Composição mestre-escravo

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– Diagrama de blocos e característica dinâmica
– Exemplos
– Considerações de Projeto		 Avança para próximo tópico

É uma estratégia onde dois controladores são associados em série de maneira que o sinal de saída do primeiro (controlador mestre) é usado no cálculo do setpoint do segundo (controlador escravo). Cada controlador opera com seu próprio elo de retroalimentação formando as malhas externa e interna.

Considere um forno cuja temperatura é manipulada pela vazão de combustível enviado ao seu queimador. Com uma estratégias de retroalimentação simples, esta vazão é determinada diretamente pelo controlador de temperatura (ver figura 1a). Mas se existe um instrumento para medir a vazão de combustível, então é possível criar uma segunda malha para o controle desta vazão e com setpoint proveniente do controle de temperatura (figura 1b). Sem título

A vantagem da utilização da malha interna está em sua maior agilidade para compensar os distúrbios internos. Uma eventual flutuação na pressão da linha de combustível, por exemplo, causaria um distúrbio na vazão que, após um tempo, afetaria a temperatura do forno. Com a malha interna esse evento é rapidamente percebido e compensado pelo controlador de vazão.

A composição mestre-escravo traz dois benefícios:

  • Distúrbio internos são compensados de forma mais rápida pela malha interna, reduzindo o impacto na variável controlada;
  • A malha interna possui ganho unitário (é uma malha fechada). Se o tempo de acomodação da malha interna é suficientemente pequeno, as características não-lineares e indesejáveis do atuador ficam imperceptíveis para o controlador da malha externa. 

Diagrama de blocos e característica dinâmica

O diagrama de blocos de uma malha com retroalimentação simples e de uma composição mestre-escravo são mostrados abaixo.

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A dinâmica do processo está representada por duas funções de transferência, chamadas de “processo interno” e “processo externo”. O interno representa a relação entre a saída do controlador e uma variável interna (PVi). O segundo representa a relação entre esta variável interna e a variável controlada (PVe). Se a variável interna (PVi) é medida, então é possível criar um elo interno com um segundo controlador. Nesta configuração, a saída do controlador externo determina o setpoint da malha interna, enquanto a saída da malha interna é quem manipula efetivamente o processo.

Com esta divisão, também passamos a ter distúrbios internos e externos. Os distúrbios externos (De) são perturbações que afetam diretamente a variável controlada (PVe). Já os distúrbios internos (Di) são perturbações que afetam primeiramente a variável interna (PVi).

Tomando novamente o controle de temperatura em forno, o processo interno representa a relação entre a saída do controlador (MV de TIC) e a vazão de combustível. Já o processo externo representa a relação entre a vazão de combustível e a temperatura do forno. O distúrbio interno é qualquer evento que perturbe diretamente a vazão de combustível, por exemplo variações na pressão da linha. Já o distúrbio externo é qualquer evento que perturbe diretamente a temperatura do forno, por exemplo a abertura da porta do forno ou carregamento de material.

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Exemplos

O controlador TIC02 atua na vazão de fluido de refrigeração que alimenta o trocador com objetivo de controlar a temperatura do fluido de processo. As perturbações de carga mais previsíveis são as variações na vazão e na temperatura do fluído de processo (distúrbios externos) e a variação na vazão do fluido de refrigeração (distúrbio interno). Ao invés de TIC02 atuar diretamente na válvula de controle, ele gera setpoint para FIC01, que é a malha interna responsável pelo controle da vazão. Um eventual distúrbio na vazão de fluido de refrigeração será prontamente compensado por ele, minimizando o impacto na temperatura do fluído de processo.

Capturar

O nível de um tanque é controlado pela vazão de alimentação. A válvula utilizada possui curva abertura x vazão não linear. Para compensar essa não-linearidade, uma malha interna para controle de vazão é utilizada (FIC) e seu setpoint é determinado pela malha de controle de nível (LIC).

Capturar

Considerações de Projeto

Requisitos:

  • Instrumento para medição da variável interna;
  • A constante de tempo da malha interna deve ser pelo menos três vezes menor que a constante de tempo da malha externa (idealmente cinco vezes).

Procedimento:

  1. Chavear os controladores da malha externa e interna para modo manual, nesta ordem.
  2. Executar os testes de identificação na malha interna obtendo Gi(s) = PVi(s)/MVi(s). Projetar o controlador escravo de forma a obter o menor tempo de acomodação possível.
  3. Já com os novos parâmetros de sintonia, retornar o controlador escravo para modo automático/remoto. Manter a malha externa em modo manual.
  4. Executar os testes de identificação na malha externa obtendo Ge(s)=PVe(s)/MVe(s). Projetar o controlador mestre de forma que tenha um tempo de acomodação pelo menos três vezes maior que aquele usado na malha interna.
  5. Retornar o controlador mestre para modo automático