Implementação de controle de três elementos para controle de balão de vapor de caldeira aquatubular

Abstract

O trabalho propõe identificar um sistema real de um controle de nível de um balão de vapor de caldeira aquatubular. Por se tratar de um sistema complexo, utilizou-se a modelagem tipo caixa-preta para a identificação, obtendo um sistema com correspondência aos dados reais de 75,89%. Para isto, foram utilizadas ferramentas de aquisição de dados, como PI System aliado ao suplemento PI Datalink, e ferramentas de identificação presentes na toolbox System Identification do software MATLAB®. Foram então projetados novos controladores para este sistema utilizando como critérios de controle margem de ganho, margem de fase, taxa de amortecimento e porcentagem de overshoot, empregados na toolbox Control System Tuner e simulados em ambiente MATLAB® Simulink™. A abordagem de controle proposta neste trabalho aplica um modelo amplamente aplicado neste processo, o controle de três elementos, onde é utilizado dois controladores PID em cascata, levando-se em consideração a medição de nível do tubulão da caldeira, a vazão de água de entrada e a vazão de vapor de saída, que, como amplamente retratado na literatura, obtém um controle de nível mais preciso e estável, por prever oscilações na demanda de vapor antes que o nível do balão seja afetado. Os resultados obtidos demonstram a usabilidade das ferramentas empregadas, assim como a eficiência do controlador de três elementos para estabilidade de nível de água no tubulão de vapor.

This work proposes to identify a real system present in the level control of a watertube boiler steam drum. As it is a complex system, black-box modeling was used for identification, obtaining a system corresponding to real data of 75.89%. For this, data acquisition tools were used, such as PI System allied to the PI Datalink supplement, and identification tools presented in MATLAB®’s System Identification toolbox. New controllers were then designed for this system using as control criteria gain margin, phase margin, damping rate and overshoot percentage, applied in the toolbox Control System Tuner and simulated in a MATLAB® Simulink™ environment. The control approach proposed in this work is a model widely applied in this process, the three-element control, where two PID controllers are used in cascade, taking into account the measurement of the boiler steam drum level, the inlet water flow and the output steam flow, which, as extensively portrayed in the literature, obtains a more accurate and stable level control, by predicting oscillations in the steam demand before the drum level is affected. The results obtained demonstrate the usability of the tools employed, as well as the efficiency of the three-element controller for water level stability in the steam drum.