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Título: Quantificação e compensação de atrito em válvulas de controle pneumáticas
Autor(es): Cuadros, Marco Antonio de Souza Leite
Orientador: Munaro, Celso José
Coorientador: Munareto, Saul da Silva
Data do documento: 27-Out-2011
Editor: Universidade Federal do Espírito Santo
Resumo: As válvulas de controle são atuadores bastante comuns na indústria e são elementos importantes nas malhas de controle. O stiction, do inglês static + friction, é uma não linearidade presente nas válvulas de controle que provoca o aumento da variabilidade do processo, prejudicando o desempenho, produzindo perdas na qualidade, gasto de matéria prima e queda na rentabilidade da produção. O stiction representa o atrito presente na válvula, que aumenta com o desgaste da mesma. A primeira contribuição deste trabalho é a proposta de uma nova metodologia para a quantificação do stiction para situações em que o gráfico da variável do processo e da saída do controlador tenha forma de paralelogramo. Para este padrão o método apresenta resultados menos conservativos em comparação com outros métodos de quantificação de abordagem semelhante. Além disto, uma proposta para a estimativa do slipjump a partir do conhecimento do modelo do processo é discutida. A metodologia proposta requer apenas dados de operação, sem a necessidade de testes invasivos. A aplicação a simulações, dados de plantas industriais e uma planta-piloto demonstram a aplicabilidade e a superioridade da contribuição. A segunda contribuição é a proposta de três novos métodos de compensação de stiction que melhoram o desempenho da variável do processo sem o efeito negativo de aumentar a variabilidade no movimento da haste da válvula, algo comum em outros métodos desta natureza. O primeiro método proposto avalia o processo através de um degrau com o objetivo de encontrar o valor do sinal de controle para aproximar o erro a zero, através de um procedimento realizado em cinco passos. O segundo método aproxima o erro a zero através da aplicação de um sinal suave à válvula, seguido de um sinal de freio no instante em que a variável de processo se aproxima da referência. O terceiro método aplica um sinal pulsante à válvula para minimizar o erro, de forma similar ao método conhecido por knocker. Entretanto, é proposta uma estratégia para detectar o instante em que o erro é mínimo e sinal pulsante possa parar mantendo o erro mínimo. Isto torna o método mais adequado para tratar perturbações e variações de setpoint. Os métodos de compensação são analisados através de sua aplicação em exemplos de simulação e numa malha de vazão de uma planta piloto.
The control valves are actuators very common in the industry and are important elements in the control loops. The stiction (static + friction) is a non-linearity present in the control valves which increases the variability of the process, compromising the performance, producing losses in quality, cost of raw materials and drop in profitability. The stiction represents the friction present in the valve that increases with the wear. The first contribution of this paper is to propose a new methodology for the quantification of stiction in situations where the graph of the process variable and controller output has the form of a parallelogram. For this pattern the proposed method produces less conservative results compared to other methods of quantifying with similar approach. Moreover, a proposal for estimating the slipjump from the knowledge of the process model is discussed. The proposed method requires only the operating data, without the need of invasive tests. Application to simulations, data from industrial plants and a pilot plant demonstrate the applicability and superiority of the contribution. The second contribution is to propose three methods for compensation of stiction that improve the performance of the process variable without the negative effect of increasing the variability in the movement of the valve stem, something common in other methods of this nature. The first proposed method evaluates the process through a step in order to finding the control signal for bringing the error to zero, through a procedure performed in five steps The second method approximates the error to zero by applying a gentle signal to the valve, followed by a brake signal at the instant when the process variable approaches the reference. The third method applies pulse signals to the valve to minimize the error, similarly to the method known as knocker. However, it is proposed a strategy to detect the instant when the error signal is minimal and the pulses can cease while keeping the minimum error. This makes the method suitable for treating disturbances and setpoint changes. The methods are evaluated through their application in examples of simulation and in a flow control loop of a pilot plant.
URI: http://repositorio.ufes.br/handle/10/4123
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