Ficha de Componente Curricular

OBJETIVOS

A disciplina apresenta os seguintes objetivos:

1. Habilitar o estudante para o entendimento de dinâmica de processos da indústria química, desenvolvimento de modelos matemáticos de sistemas químicos e seu uso no projeto de controladores e automação desses sistemas. Para esse objetivo serão usadas equações de balanço (massa, energia e momento) que descrevem o comportamento do processo a partir das leis que regem os fenômenos físicos e químicos;

2. Desenvolver o senso de importância da experimentação para a engenharia, visão crítica em relação ao planejamento, condução, análise dos dados e elaboração de relatórios técnicos referentes à investigação empírica e capacidade de trabalho em equipe;

3. Desenvolvimento de projetos e sistemas na área de automação de processos químicos;

4. Implementação prática de controladores em sistemas reais.

Ementa

Conteúdo teórico: Processos e variáveis de processo; Sensores de temperatura, vazão, nível e pressão; Simbologia de instrumentos; Fluxograma de instrumentação; Modelagem matemática de processos químicos; Balanços de massa, energia e quantidade de movimento; Modelos de processos representativos da indústria química; Comportamento transiente de processos; Representação por funções de transferência; Comportamento dinâmico de sistemas de primeira, segunda ordem e de ordem superior; O uso de modelos dinâmicos de processos no controle e automação de processos químicos.

Conteúdo prático: Elaboração de relatórios técnicos; Algarismos significativos, construção de gráficos e sistema internacional de unidades (SI); Teoria de erros – uma introdução; Medição de comprimento, área e volume; Calibração de instrumentos (vazão, temperatura, nível, pressão, pH, etc); Modelagem dinâmica e obtenção de funções de transferências de sistemas experimentais: malha de controle vazão, Nível e pH.

PROGRAMA

CONTEÚDO TEÓRICO:

1. Processos, Variáveis de Processo e Instrumentos de Medida

1.1. Principais variáveis (conceito, unidades de medida e relações de transformação)

1.1.1. Massa

1.1.2. Volume

1.1.3. Vazão

1.1.4. Composição química

1.1.5. Pressão

1.1.6. Temperatura

1.2. Instrumentos de medida (princípios de funcionamento)

1.2.1. Conceitos básicos

1.2.2. Simbologia

1.2.3. Tomadas de Impulso

1.2.4. Medição de Pressão

1.2.5. Medição de Temperatura

1.2.6. Medição de nível

1.2.7. Medição de vazão

2. Modelagem Dinâmica de Processos Químicos (Balanços de massa, energia e quantidade de movimento)

2.1. A razão da modelagem matemática

2.2. Modelos dinâmicos versus estacionários

2.3. Princípios gerais da modelagem

2.4. Graus de liberdade na modelagem

2.5. Modelos de vários processos representativos

2.5.1. Armazenamento de líquidos

2.5.2. Tanque com aquecimento/resfriamento

2.5.3. Reator Tanque Contínuo (CSTR)

2.5.4. Absorvedor de gás de 3 estágios

2.5.5. Trocador de calor

2.5.6. Reatores CSTR Isotérmicos em série com Holdup constante

2.5.7. CSTR com Holdup Variável

2.5.8. Tanques em série aquecidos

2.5.9. CSTR pressurizado em fase gasosa

2.5.10. CSTR não Isotérmico

2.5.11. Tambor Flash com componente puro

2.5.12. Tambor Flash Multicomponente

2.5.13. Reator em Batelada

2.5.14. Reator com Transferência de Massa

2.5.15. Coluna de destilação binária

2.5.16. Coluna de destilação multicomponente Não Ideal

2.5.17. Destilação batelada

2.5.18. Sistemas de pH: modelos de constante equilíbrio constante e de curva de titulação

2.6. Solução de modelos dinâmicos e o uso de simuladores digitais

3. Representação de Sistemas Dinâmicos por Funções de Transferência

3.1. Transformada de Laplace

3.2. Soluções de Equações Diferenciais usando a transformada de Laplace

3.3. Desenvolvimento de Funções de Transferência

3.4. Propriedades das Funções de Transferência

3.5. Linearização de Modelos Não Lineares

3.6. Diagrama de Blocos

4. Sistemas de Primeira, Segunda Ordem e de Ordem Superior

4.1. Perturbações

4.2. Resposta de Sistemas de Primeira Ordem

4.3. Resposta de Sistemas de Segunda Ordem

4.4. Resposta de sistemas de Ordem Superior

4.5. Sistemas Multivariáveis

5. Uso de Modelos de Sistemas Dinâmicos em Controle e Automação Convencional de Sistemas Químicos

5.1. Instrumentos de controle

5.1.1. Sensores

5.1.2. Transmissores

5.1.3. Válvulas de Controle

5.1.4. Controladores analógicos e digitais

5.1.5. Dispositivos Lógicos e computacionais

5.2. Desempenho de Controladores

5.2.1. Especificações da Resposta da Malha Fechada

5.2.2. Respostas da Malha Fechada frente a perturbações na Carga

5.3. Sintonia de Controladores

5.3.1. Regras Heurísticas

5.3.2. Tentativa e Erro em Linha (On-Line Trial and Error)

5.3.3. Método de Ziegler-Nichols

CONTEÚDO PRÁTICO:

1. Normas para Elaboração de Relatórios Técnicos da Disciplina

1.1. Introdução

1.2. Apresentação Geral dos Relatórios

2. Teoria de Erros – Uma Introdução

2.1. Introdução

2.2. Objetivos da Teoria de Erros

2.3. Medidas de Uma Grandeza

2.4. Erros de Medidas

2.4.1. Desvios

2.4.2. Erro Absoluto e Erro Relativo

2.5. Classificação dos Erros

2.5.1. Erros sistemáticos

2.5.2. Erros Estatísticos ou Aleatórios

2.6. Definições

2.7. Histograma

2.8. Valor mais Provável e Valor Médio

2.9. Dispersão e Precisão

2.10. Erros Aleatórios

2.11. Desvios ou Resíduos

2.12. Desvio Quadrático Médio

2.13. Distribuição Normal ou de Gauss

2.14. Desvio Padrão Populacional e Amostral

2.15. Desvio Padrão da Média ou Erro Padrão da Média

2.16. Variância Populacional e Amostral

2.17. Precisão da Medida e Precisão da Estimativa

2.18. Intervalos de Confiança e Níveis de Confiança

2.19. A Distribuição t-Student

2.20. Incerteza Padrão Final

2.21. Algarismos Significativos na Incerteza Padrão

2.22. Algarismos Significativos na Grandeza

2.23. Expressando o Resultado de um Conjunto de Medições

2.24. Propagação de Erros em Cálculos

2.24.1. Erros em Funções de Grandezas Afetadas por Erros

2.24.2. Soma e Subtração de Grandezas Afetadas por Erros

2.24.3. Multiplicação e Divisão de Grandezas Afetadas por Erros

2.25. Exemplo - Estimando média e Intervalo de Confiança de uma grandeza

3. Introdução à Identificação de sistemas lineares

3.1. Modelos Paramétricos: FIR, OE, AR, ARX, ARMA, ARMAX, BJ, FBO

3.2. Métodos de Estimação: Mínimos Quadrados Não-Recursivo e Recursivo

3.3. Determinação da Ordem do Modelo

3.4. Validação do Modelo

3.5. Modelos Não-Paramétricos: Identificação no Domínio do Tempo e da Frequência

3.6. Exemplos de Identificação de Sistemas

4. Aulas Práticas

4.1. Medição de Comprimento, Área e Volume.

4.2. Calibração de Instrumentos (com sistema de aquisição de dados)

4.2.1. Vazão

4.2.2. Nível

4.2.3. pH

4.2.4. Temperatura

4.2.5. Pressão

4.3. Modelagem Dinâmica de uma Malha de Vazão

4.4. Projeto do controlador de Vazão e sua Implementação Experimental

4.5. Modelagem Dinâmica de uma Malha de Nível

4.6. Projeto do controlador de Nível e sua Implementação Experimental

4.7. Modelagem Dinâmica de uma Malha de Pressão

4.8. Projeto do controlador de Pressão e sua Implementação Experimental

4.9. Modelagem Dinâmica de uma Malha de pH

4.10. Projeto do controlador de pH e sua Implementação Experimental

BIBLIOGRAFIA BÁSICA

1. LUYBEN, William L. Process modeling, simulation, and control for chemical engineers. 2. ed New York: McGraw-Hill, 1990.

2. MCMILLAN, Gregory K.; CONSIDINE Douglas M. PROCESS/INDUSTRIAL instruments and controls handbook. 5. ed. New York: McGraw-Hill, 1999.

3. SEBORG, Dale E. et al. PROCESS dynamics and control. 3rd ed. Hoboken: John Wiley & Sons, 2011.

4. SIGHIERI, Luciano. Controle automático de processos industriais: instrumentação. São Paulo: E. Blucher, 1988.

5. SMITH, Carlos A. Princípios e práticas do controle automático de processo. Rio de Janeiro: LTC, 2008.

BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR

1. MONTGOMERY, Douglas C. Estatística aplicada e probabilidade para engenheiros. Rio de Janeiro: LTC, 2012.

2. AGUIRRE, Luís Antônio. Introdução à identificação de sistemas: técnicas lineares e não-lineares aplicadas a sistemas reais. 3. ed. rev. e ampl. Belo Horizonte: UFMG, 2007.

3. LJUNG, Lennart. System identification: theory for the user. 2nd ed. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR, 1999

4. STEPHANOPOULOS, George. Chemical process control: an introduction to theory and practice. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1984.

5. Henrique, H. M. (2015). Apostila de Química Tecnológica Experimental. Disponível em: https://www.moodle.ufu.br/login/index.php. Acesso em: 28 nov. 2018.

6. NONLINEAR process control. Upper Saddle River: Prentice Hall PTR, c1997. xii, 432 p., ill., 24 cm. Includes bibliographical references and index. ISBN 013625179X.

7. MATLAB - Control System Toolbox, System Identification Toolbox, Model Predictive Control Toolbox

8. Artigos de periódicos indicados ao longo do curso.

aprovação

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Documento assinado eletronicamente por Josué Silva de Morais, Coordenador(a), em 03/04/2019, às 10:36, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015.

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Documento assinado eletronicamente por Ricardo Amâncio Malagoni, Diretor(a), em 04/04/2019, às 18:56, conforme horário oficial de Brasília, com fundamento no art. 6º, § 1º, do Decreto nº 8.539, de 8 de outubro de 2015.

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A autenticidade deste documento pode ser conferida no site https://www.sei.ufu.br/sei/controlador_externo.php?acao=documento_conferir&id_orgao_acesso_externo=0, informando o código verificador 1137907 e o código CRC AA81E13E.

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