Controle antecipatório (Feedforward)

Produzido por Alexandre Nunes
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Teoria

Introdução

O tipo de sistema de controle mais usado na indústria é o controle feedback. Ele é muito efetivo para a maioria dos casos que encontraremos na vida real e apresenta resultados muito satisfatórios quase sempre.

O feedback, mede a variável que se deseja controlar e quando essa variável se desvia do setpoint devido a algum distúrbio, ele envia um sinal para que se altere a variável manipulada para que a variável controlada volte ao valor desejado.

Por exemplo, imagine que a gente esteja querendo controlar o nível de um tanque. Se nós queremos controlar o nível de um tanque através de um sistema feedback, vamos precisar medir essa variável, que chamamos de controlada. Quando esse nível não estiver no valor correto, o nosso sistema de controle vai mandar um sinal para uma válvula que vai manipular uma outra variável, por exemplo, a vazão de saída do tanque. Se o nível estiver muito alto, a vazão de saída aumentará, se o nível estiver muito baixo, ela diminuirá.

O feedback então, pratica a correção de acordo com desvios na variável controlada. Porém ele tem uma grande desvantagem que as vezes pode prejudicar o seu bom funcionamento.

O controlador feedback só corrige a variável manipulada após a variação ter ocorrido. Em processos de dinâmica muito lenta isso acaba sendo bastante prejudicial porque quando a variação na variável controlada é medida, o distúrbio que causou ela já está atuando no processo há décadas, e isso faz com que o processo fique por muito tempo longe do seu setpoint.

O controle feedforward

O controle feedforward é um controle que tem como objetivo antecipar as variações da variável manipulada e fazer as correções antes mesmo da variável manipulada sair do seu setpoint.

O controle feedforward é capaz de prever as variações na variável manipulada medindo-se os distúrbios do processo. Por exemplo, voltando ao caso do tanque de nível, se para controlar o nível do tanque nós estivéssemos usando o controle feedforward ao invés do controle feedback, em vez de medir a variável controlada (nível), nós mediríamos um distúrbio, a vazão de entrada, por exemplo.

Quando a vazão de entrada começasse a aumentar muito, o sistema perceberia que esse aumento faria o nível do tanque aumentar, e aí mandaria um sinal para a variável manipulada (vazão de saída) aumentar também. Se a vazão de entrada diminuísse o contrário aconteceria.

O diagrama de blocos para o controle feedforward é demonstrado abaixo:

Como você pode ver, o distúrbio é medido pelo sensor que envia um sinal para o controlador que já corrige o distúrbio nesse processo. Dessa forma, quando o distúrbio impactar a variável controlada, ele já vai ter sido compensado pelo sistema de controle feedforward.

Sendo assim, as principais vantagens do sistema feedforward é que ele toma a ação corretiva antes do distúrbio atingir o sistema e teoricamente ele é capaz de realizar o controle perfeito, isto é, manter a variável sempre no setpoint. Ele também não afeta em nada a estabilidade do sistema.

Entretanto, nem tudo são flores, e o sistema feedforward também tem suas desvantagens. A principal delas é que nem todos os distúrbios são conhecidos e/ou mensuráveis. Dessa forma, o controle perfeito só pode ser realizado de fato quando todas as perturbações são compensadas, e isso é impossível de acontecer. Além disso, o controle feedforward requer um conhecimento muito grande sobre o funcionamento da planta, já que é preciso que se saiba muito bem qual efeito cada distúrbio tem sobre a variável manipulada para poder corrigi-lo efetivamente.

O controlador feedforward

O sistema feedforward tem o seu próprio controlador:

O FFC (feedforward controller) é o cara que vai receber a informação a respeito dos distúrbios que estão entrando no processo e decidir o quanto que a variável controlada precisa variar para que aquele distúrbio seja cancelado.

Existe uma formulazinha bem direta que define a função de transferência do controlador feedforward:

F F C =   - G D H D G P

Ou seja, a função de transferência do controlador feedforward depende da função de transferência do sensor do distúrbio, do distúrbio e do processo.

Mas atenção, existem casos que o sistema feedforward simplesmente não pode ser aplicado

Esses casos acontecem quando o grau do polinômio do numerador da função de transferência F F C é maior que o do denominador.

Um outro caso é quando tanto a função de transferência do distúrbio quanto a do processo apresentam tempo morto. Se o tempo morto do distúrbio for menor que do processo, o controle feedforward também é impossível. Isso acontece porque a função de transferência F F C ficaria com um termo exponencial positivo, que indica “tempo vivo”, e que é impossível de existir.

Feedback/feedforward

Como vimos ali em cima, o controle feedforward tem a grande desvantagem de não conseguir medir e prever todos os distúrbios que podem impactar um determinador processo. Por isso, muito dificilmente ele será usado sozinho.

Imagina que a gente esteja controlando um processo através de um sistema feedforward, e que a gente esteja controlando o máximo de distúrbios possíveis. Se um distúrbio que nós não estamos controlando começar a agir sobre o processo, vamos perder totalmente o controle dele, concorda?

Portanto, o que acontece na prática é que o controle feedforward geralmente é usado juntamente com o controle feedback.

Com os dois tipos de controle agindo, cada um controla aquilo em que é efetivo e um compensa a falha do outro.

Enquanto a parte feedforward do sistema de controle corrige os distúrbios mensuráveis, a parte feedback vai corrigir os distúrbios que não podem ser medidos e os erros de modelagem do processo.

O controle feedforward

O controlador feedforward

Feedback/feedforward