Instrumentação e Controlo de Processos
Código
7342
Unidade Orgânica
Faculdade de Ciências e Tecnologia
Departamento
Departamento de Química
Créditos
6.0
Professor responsável
José Paulo Barbosa Mota
Horas semanais
4
Língua de ensino
Português
Objectivos
Pretende-se que o aluno adquira competências teórico-práticas nos seguintes tópicos:
Modelação Matemática da dinâmica de Processos Químicos
Teoria de Dinâmica de Sistemas
Método da Transformada de Laplace
Noção de Função de Transferência e sua aplicação a processos químicos
Modelação Empírica de Processos
Controlo Realimentado em Cadeia Fechada
Comportamento Dinâmico de Controladores em Cadeia Fechada
Estabilidade de Sistemas de Controlo em Cadeia Fechada
Sintonização e Afinação de Controladores
Configurações de Controlo Mais Complexas
Intrumentação e compreensão de diagramas de tubagem e instrumentação
Pré-requisitos
Conhecimentos elementares de análise matemática incluindo noções elementares sobre transformadas de Laplace.
Conhecimentos elementares sobre balanços de massa, energia e sobre noções de transporte de massa, energia e quantidade de movimento.
Conteúdo
- Controlo de Processos
- Incenticos e justificação económica para o controlo automático de processos químicos
- Elementos constituintes de um sistema de controlo: Processo, Medidores, Transmissores e Transdutores, Controlador, Elemento final de controlo
- Modelação matemática de processos químicos
- Modelação clássica e linearização de modelos inlineares
- Modelação empírica e estimação paramétrica
- Graus de liberdade de um processo
- Transformadas de Laplace
- Função de transferência de um sistema
- Diagrama de blocos
- Caracterização de sistemas dinâmicos lineares
- Sistemas de primeira ordem
- Sistemas de segunda ordem
- Sistemas de ordem superior
- Controlo em cadeia fechada
- Controlador ON/OFF
- Controlador proporcional (P)
- Controlador Proporcional-Integral (PI)
- Controlador Proporcional-Integral-Derivativo (PID)
- Comportamento dinâmico de processos controlados em cadeia fechada
- Diagrama de blocos
- Resposta da cadeia fechada de controlo
- Problema de servo-mecanismo
- Problema de regulação
- Acção de controlo proporcional, integral e diferencial
- Resposta do sistema controlado a uma variação em degrau no valor da referência
- Resposta do sistema controlado a uma variação em gedrau no valor da carga
- Efeito das acções de controlo combinadas PI e PID
- Controlo em cascata
- Controlo pré-alimentado em cadeia aberta
- Controlo pré-alimentado com retroacção
- Processos com atraso no tempo
- Processos com resposta inversa
- Regras práticas de escolha e aplicação de controladores
- Efeito dos parâmetros do controlador (ganho e constantes de tempo) sobre a resposta do sistema controlado
- Ajuste dos parâmetros do controlador: Regras práticas, Método de Ziegler-Nichols, Método de Cohen & Coon
- Controlo digital
- Transmissão de sinal digital
- Conversores A/D e D/A
- Filtros analógicos e digitais
- Versão digital do controlador PID
- Instrumentação
- Válvulas de controlo
- Elementos constituintes
- Tipos de obturadores
- Comportamento dinâmico
- Dimensionamento
- Medidores de temperatura
- Termopares
- Termómetros de resistência
- Medidores de pressão
- Elementos de coluna líquida
- Elementos elásticos
- Transdutores eléctricos de pressão
- Medidores de caudal
- Medidores da taxa de caudal
- Medidores de pressão diferencial: Chapa de orifício, Tubo de Venturi e Bocal, Tubo de Pitot
- Medidores de área variável: Rotâmetro, Medidor de orifício e tampão cónico, Medidor de pistão
- Medidores de caudal mássico
- Medidores de nível
Bibliografia
• Documentação de apoio elaborada pelo Responsável da UC
• B. A. Ogunnaike, W. H. Ray, Process Dynamics, Modelling, and Control, Oxford University Press, 1994.
• D. M. Considine, Process Instruments and Control Handbook, McGraw Hill, 1974.
• J. W. Dally, et al., Instrumentation for Engineering Measurements, John Wiley & Sons, 1984.
• G. Stephanopoulos, Chemical Process Control – An Introduction to Theory and Practice, Prentice/Hall, 1984.
• G. F. Franklin, J. D. Powel, A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley, 1986.
• D. E. Seborg, T. F. Edgar, D. A. Mellichamp, Process Dynamics and Control, JohnWiley & Sons, 1989.
Método de avaliação
(1) Esta disciplina não tem frequência obrigatória.
(2) A componente prática da avaliação contínua é obtida com a realização de um trabalho de grupo constituído por 2-4 elementos. A avaliação pode ser diferenciada, dentro de cada grupo, recorrendo para tal à avaliação contínua resultante do contacto do alunos com os professores da cadeira, nomeadamente desempenho nas aulas praticas e respostas obtidas nas defesas orais dos trabalhos efectuados. A nota final desta parte é obtida pela realização de trabalho laboratorial ou de simulação e elaboração e discussão dos respectivos relatórios. Esta componente da avaliação vale 20% da nota final.
Em seguida listam-se alguns exemplos de trabalhos da componente prática da avaliação contínua:
- Trabalho de simulação de um sistema com controlo PID em scilab.
- Estudo de dinâmica em ciclo aberto de um reator com agitação. Estudo da variação da resposta do sistema a perturbações em impulso e em degrau na concentração de uma solução salina de NaCl no reator.
- Sintonização de controladores usando o método de Cohen-Coon aplicado ao controlo da concentração de uma solução salina de NaCl num reator.
- Estudo de dinâmica do sistema com retroação e controlo P, PI e PID sobre a concentração de uma solução num reator. Problemas de servomecanismo e regulação aplicados ao controlo da concentração de uma solução no reator. Estudo do efeito da variação dos parâmetros do controlador.
- Estudo da dinâmica de aquecimento indireto de um reator usando uma caldeira termostatizada. Sintonização do controlador de temperatura usando o método de Ziegler-Nichols.
- Estudo da dinâmica do sistema de controlo de temperatura com retroação (controlo PID), considerando como variável manipulada o caudal de recirculação da água de aquecimento na serpentina do reator e como variável de carga o caudal de entrada ao reator. Problema de servomecanismo aplicado ao controlo de temperatura no reator.
(3) A componente teórica e teórico-prática da avaliação contínua é obtida pela realização de 2 testes (vale 80% da nota final). Tendo em conta o programa da disciplina o 1º teste vale 40% da nota e o 2º teste vale 40% da nota. Média mínima de 9,5 nos 2 testes. Não há nota mínima em cada teste. O aluno pode faltar a um, e apenas a um teste, contando a ausência com a classificação de zero para a média dos dois testes. Os alunos que optarem pela avaliação contínua só poderão, em caso de reprovação, realizar o exame final de recurso. Para notas superiores a 16 valores, ou em caso de dúvida na correção do exame, poderá ser solicitado ao aluno a realização de uma prova oral.
(4) Avaliação por exame final (vale 100% da nota final).
A aprovação na disciplina implica a obtenção de nota >= 9.5 no exame. Para notas superiores a 16 valores, ou em caso de dúvida na correção do exame, poderá ser solicitado ao aluno a realização de uma prova oral.
(4) Disposições gerais
Qualquer aluno envolvido numa fraude, em qualquer etapa de avaliação (num exame, trabalho pratico ou trabalho de simulação), reprova na disciplina. Em caso de duvida poderá ser solicitado ao aluno a realização de uma prova oral.
Só podem levar para as Avaliações, o BI, duas canetas e uma Máquina de Calcular aritmética simples sem capacidade de memória; não são permitidos Telemóveis ou outro tipo de tecnologias com capacidade de comunicação com/sem fios, nem folhas de rascunho; a nota das etapas intermedias de avaliação é arredondada às centésimas. O arredondamento da Nota Final é feito, uma única vez, na última operação aritmética para o cálculo da nota final; É obrigatória a inscrição para Melhoria de Nota.