Não-linearidades típicas em válvulas
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Todo dispositivo que inclui conexões internas mecânicas (tais como válvulas de controle) apresenta uma não linearidade do tipo histerese. O efeito de histerese ocorre quando existe uma folga em um acoplamento mecânico e uma mudança no sentido do movimento. O espaço existente entre as partes conectadas precisa ser superado para que o movimento reinicie. Dependendo do tamanho destas folgas, a histerese pode ser grande a ponto de comprometer o desempenho de uma malha de controle. Geralmente uma histerese superior a 1% já é suficiente para causar sobresinal na resposta à mudança de SP e oscilação em regime estacionário.
Em malha fechada uma válvula com histerese faz com que a resposta seja oscilatório com período crescente, sempre após uma mudança de SP.
Já o agarramento é um comportamento não-linear em conseqüência do atrito estático entre conexões internas dos dispositivos. Em válvulas pneumáticas, por exemplo, um comando de abertura ou fechamento precisa, somente para iniciar um movimento, gerar uma pressão no diafragma suficiente para vencer as forças de atrito entre partes móveis, tais como haste e gaxeta. Este aspecto comprometer o desempenho de uma malha de controle gerando oscilações sustentadas.
A Figura abaixo exemplifica o efeito em uma malha de controle. O sinal de saída do controlador CO varia gradativamente na tentativa de corrigir o erro e a válvula não se movimenta até que a força seja suficiente para vencer o atrito estático. Quando isso ocorre a válvula se move bruscamente fazendo com que a PV ultrapasse o valor do setpoint. Este ciclo repete-se indefinidamente resultando na oscilação com perfil aproximado de uma onda quadrada na PV. A amplitude desta oscilação depende do percentual de agarramento e ganho estático do processo.
Teste de histerese
A histerese de um processo pode ser quantificado com uma sequencia de testes em malha aberta, sendo dois degraus na MV precedidos de um terceiro em sentido oposto. Os degraus devem ter amplitude suficiente para alterar o patamar da PV e tempo suficiente para que a resposta se estabilize.
- Modificar a posição da válvula (MV) e e aguardar a resposta do processo (PV). Este degrau elimina possíveis folgas mecânicas no sentido do movimento;
- Nova mudança na posição da válvula (ΔMV2) no mesmo sentido. Aguardar a resposta do processo (ΔPV2).Este degrau é usado para calcular o ganho K processo;
- Terceira mudança na posição da válvula (ΔMV3), porém no sentido oposto e aguardar a resposta do processo (ΔPV3). A histerese é a diferença entre o valor deste último degrau na posição da válvula e o valor teórico que ela deveria ter se movimentado para gerar a amplitude de variação observada na PV.
Exemplo:
Teste de agarramento
Aplica-se um degrau inicial na posição da válvula com amplitude suficiente para causar uma variação perceptível na PV. Em seguida, inicia-se a aplicação de uma seqüência de pequenos incrementos, no mesmo sentido do degrau inicial, até que seja observada uma nova resposta da PV. O percentual de agarramento é o somatório de incrementos realizadas sem que o processo tenha respondido.
No exemplo abaixo o percentual de agarramento está entre 1,5 e 1,8%.
Considerações de projeto
Quando uma válvula é dignosticada com agarramento e/ou histerese excessivos, então ela deve ser alvo de manutenção. Mas até que isso ocorra, algumas ações podem ser tomadas:
Minimizando o efeito de uma histerese excessiva:
- Reduzir (ou remover) a ação proporcional do posicionador
- Reduzir a ação proporcional do controlador PID
- Usar um algoritmo no qual o Kc é reduzido à medida que o erro tende para 0 (Zero)
Minimizando o efeito de um agarramento excessivo:
- Reduzir (ou remova) a ação integral do posicionador
- Reduzir a ação integral do controlador PID
- Usar um algoritmo no qual a ação do integrador não é calculada enquanto o erro estiver dentro da banda morta