Análise e controle de Fuzzy de processos: estudo de caso em um reator de polimerização

Abstract

Este trabalho buscou dois objetivos principais. O primeiro deles consistiu em comprovar a potencialidade da aplicação de controladores PI-fuzzy em reatores de polimerização semi-batelada, com trajetórias de setpoint s (valor de referência) prédefinidas, tendo os parâmetros das funções de pertinência e fatores de escala determinados pelo método de sintonia ótima. O segundo objetivo compreendeu em possibilitar a utilização do programa de simulação em ambiente computacional, como ferramenta de trabalho para P & D de novos produtos. O controle de reatores de polimerização é desafiante devido a vários fatores como a natureza multivariável e não linear, a existência de interações e tempos mortos, a cinética de reação complexa e a ausência de medições diretas das variáveis que caracterizam a estrutura macromolecular do polímero, dentre outros. Para o caso específico de reatores que operam em batelada ou semi-batelada, existem dificuldades adicionais associadas às necessidades de que algumas variáveis de processo obedeçam a trajetórias de setpoints pré-definidas e necessárias para a garantia das especificações do produto final. O sistema em estudo deste trabalho compreende um reator semi-batelada, de escala comercial, para a produção de nylon a partir da ε − caprolactama. O problema de controle consiste em conduzir o sistema reacional ao longo de cada batelada, de modo que as trajetórias dos setpoints da temperatura da massa reacional e da pressão na fase gasosa sejam obedecidas por essas variáveis de processo, caracterizando-se, portanto, como um problema de controle tipicamente servo, com setpoints variáveis. Dois estudos de caso foram testados e analisados. No primeiro caso, óleo quente e óleo frio são ambos disponibilizados e utilizados separadamente para o aquecimento ou resfriamento do meio reacional, respectivamente, conforme a temperatura esteja menor ou maior do que o valor do setpoint em um dado instante. No segundo caso, baseado em situações reais de unidades industriais, é disponibilizado apenas óleo quente ao longo de toda a batelada para o aquecimento da massa reacional. Para cada uma das configurações descritas, o sistema de controle compreendeu duas malhas de controle, sendo uma para o controle da temperatura na massa reacional e outra para o controle da pressão na fase vapor do reator. Para cada um dos estudos, foram comparadas duas estratégias de controle, quais sejam: controladores convencionais com algoritmo PID e controladores PI baseados em lógica fuzzy (nebulosa) (controle PI-fuzzy). Para representar um caso real de um reator de escala comercial, foi adotado um modelo fenomenológico em todos os testes de simulação em malha fechada. O modelo é composto pelas equações da cinética de reação, balanços de massa e de energia, e correlações adicionais para a viscosidade e coeficientes de troca térmica. Foram consideradas as vaporizações da água e da ε − caprolactama presentes na massa reacional, e a variação da viscosidade na massa reacional, assim como o seu efeito sobre as taxas de transferência de massa e de energia. O modelo completo foi ajustado com base em um reator de nylon de escala comercial, já existente, e as condições do processo, assim como as trajetórias de pressão e temperatura, são equivalentes à realidade operacional praticada. Os resultados obtidos comprovam a potencialidade da abordagem do controle PI-fuzzy para reatores de polimerização semi-batelada com setpoint variável. Os ajustes das regras e dos parâmetros das funções de pertinência mostraram-se capazes de produzir um bom desempenho em relação às trajetórias de setpoint especificadas, tendo-se, inclusive, redução de overshoot (sobre-sinal) na temperatura.