Use este identificador para citar ou linkar para este item:
http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38237| Título: | Análise de técnicas de sintonização de controladores PID para o controle de temperatura de um biorreator batelada |
| Título(s) alternativo(s): | Analysis of PID controller tuning techniques for temperature control in a batch bioreactor |
| Autor(es): | Ramilo, Vinícius Franzen |
| Orientador(es): | Di Domenico, Michele |
| Palavras-chave: | Fermentação Controle de temperatura Morte celular Controle de processo - Métodos estatísticos Fermentation Temperature control Cell death Process control - Statistical methods |
| Data do documento: | 27-Jun-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Francisco Beltrao |
| Citação: | RAMILO, Vinícius Franzen. Análise de técnicas de sintonização de controladores PID para o controle de temperatura de um biorreator batelada. 2025. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Francisco Beltrão, 2025. |
| Resumo: | O presente trabalho buscou avaliar o controle de temperatura para um biorreator que opera em batelada. Processos de fermentação são exotérmicos, utilizam microrganismos e, portanto, temperaturas altas podem ocasionar a morte de células impactando diretamente na obtenção de produtos e na redução de eficiência da reação, demonstrando a importância da aplicação de um método de controle de processo. Dessa forma, o sistema referente ao biorreator em batelada encamisado estudado foi modelado, matematicamente, por meio de balanços de massa e de energia, a fim de exercer o controle de temperatura via controlador PID a partir de perturbações do tipo degrau. Um diagrama de blocos foi criado para ilustrar o funcionamento da malha de controle, sendo que o controlador recebe o sinal de temperatura do sensor-transmissor e o compara com o valor de setpoint, sendo essa a definição do erro. A partir dessa comparação, o controlador atua sobre a válvula que controla a vazão de fluido refrigerante na jaqueta para corrigir perturbações do sistema ou variações do setpoint. Com base nisso, avaliou-se o desempenho de quatro métodos de sintonização para o controlador PID, Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, Astrom & Hagglund e IAE, em relação a ambos os problemas servo e regulador para cada método. Pela determinação dos métodos com melhor desempenho para realizar o controle de temperatura do biorreator, avaliou-se variações nos parâmetros do controlador para verificar como influenciam o sistema. Os resultados obtidos demonstram que a malha de controle é capaz de estabilizar a temperatura do biorreator a partir de perturbações ou alterações no valor do setpoint. Para o controle servo, os métodos de Cohen-Coon e IAE apresentaram melhor desempenho em relação aos outros métodos, com saltos de temperatura de 0,2 °C e 0 °C, e tempo de estabilização de 5 horas e 14 horas, respectivamente, para uma alteração do tipo degrau de 10 °C no valor de setpoint. Para o controle regulador os métodos de Ziegler-Nichols e IAE apresentaram os menores saltos de temperatura, de 3 °C e 4 °C, respectivamente, e tempo de estabilização de, aproximadamente, 16 horas para ambos, em relação a uma perturbação degrau de 2 g/L. O método de Astrom & Hagglund não foi eficaz para nenhum dos problemas avaliados, apresentando altos valores de salto de temperatura e de tempo de estabilização. A análise de sensibilidade paramétrica demonstrou que é possível otimizar o controle da temperatura do biorreator variando os parâmetros do controlador, em 50% para mais e para menos, em relação ao valor inicial calculado para os métodos mais eficientes. Apesar do controle de temperatura apresentar resultados coerentes, concluiu-se que a vazão máxima de fluido refrigerante de 36 litros por hora, e o volume da jaqueta de 50 litros são pequenos para as dimensões do biorreator de 1000 litros e, por conta disso, os tempos necessários para retornar a temperatura do reator ao valor de setpoint são altos, na ordem de grandeza de horas. |
| Abstract: | This study aimed to evaluate temperature control for a batch bioreactor. Fermentation processes are exothermic and utilize microorganisms; thus, high temperatures can lead to cell death, directly impacting product yield and reaction efficiency, demonstrating the importance of applying a process control method. Therefore, the jacketed batch bioreactor system was mathematically modeled using mass and energy balances to implement temperature control via a PID controller in response to step disturbances. A block diagram was created to illustrate the control loop operation, where the controller receives the temperature signal from the sensor-transmitter, compares it with the setpoint value, defining the error. Based on this comparison, the controller acts on a valve that regulates the flow of cooling fluid in the jacket to correct system disturbances or setpoint variations. Four PID controller tuning methods4 Ziegler-Nichols, Cohen-Coon, Astrom & Hagglund, and IAE4were evaluated for their performance in relation to both servo and regulatory control problems. After identifying the best-performing methods for bioreactor temperature control, variations in controller parameters were assessed to verify their influence on the system. The results demonstrate that the control loop is capable of stabilizing the bioreactor temperature following disturbances or setpoint changes. For servo control, the Cohen-Coon and IAE methods showed superior performance compared to the others, with temperature overshoots of 0.2 °C and 0 °C, and stabilization times of 5 hours and 14 hours, respectively, for a 10 °C step change in the setpoint. For regulatory control, the Ziegler-Nichols and IAE methods presented the smallest temperature deviations, 3 °C and 4 °C respectively, and stabilization times of approximately 16 hours for both, in response to a 2 g/L step disturbance. The Astrom & Hagglund method was not effective for any of the evaluated problems, showing high temperature overshoots and long stabilization times. Parametric sensitivity analysis demonstrated the possibility of optimizing bioreactor temperature control by varying controller parameters by ±50% relative to the initial values calculated for the most efficient methods. Although the temperature control showed consistent results, it was concluded that the maximum cooling fluid flow rate of 36 liters per hour and the jacket volume of 50 liters are too small for the 1000-liter bioreactor dimensions, consequently leading to long stabilization times (on the order of hours) required to return the reactor temperature to the setpoint |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38237 |
| Aparece nas coleções: | FB - Engenharia Química |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| analisetecnicassintonizacaocontroladores.pdf | 1,66 MB | Adobe PDF |  Visualizar/Abrir |
Este item está licenciada sob uma Licença Creative Commons
