Controlador PID

Trabalho

PID

Eng. Eletrônica .

Assunto sobre PID e Sintonia de Controladores PID

O algoritmo de controle PID é um algoritmo robusto e simples, que é amplamente utilizado na indústria. O algoritmo tem a flexibilidade suficiente para produzir excelentes resultados em uma ampla variedade de aplicações e tem sido uma das principais razões para o uso continuado ao longo dos anos.

Proporcional-Integral-Derivativo (PID) é o algoritmo de controle mais usado na indústria e tem sido utilizado em todo o mundo para sistemas de controle industrial. A popularidade de controladores PID pode ser atribuída em parte ao seu desempenho robusto em uma ampla gama de condições de funcionamento e em parte à sua simplicidade funcional, que permite aos engenheiros operá-los de uma forma simples e direta. Como o nome sugere, o algoritmo PID é composto por três coeficientes: proporcional, integral e derivativo, que são variados para obter a resposta ideal.

A idéia básica por trás de um controlador PID é ler um sensor, calcular a resposta de saída do atuador através do cálculo proporcional, integral e derivativo e então somar os três componentes para calcular a saída.

O processo de projeto de controle começa pelos requisitos de desempenho. O controle de desempenho do sistema geralmente é medido pela aplicação de uma função degrau definida como comando set point, em seguida é medida a resposta da variável de processo. Geralmente, a resposta é quantificada pelas características da onda de resposta. O tempo de subida é o tempo que o sistema leva para ir de 10% a 90% do estado estacionário, ou valor final. O Percent Overshoot é o valor que a variável de processo ultrapassa o valor final, expresso como uma porcentagem do valor final. Settling time é o tempo necessário para a variável do processo chegar dentro de uma determinada porcentagem (normalmente 5%) do valor final. Steady-State de erro é a diferença final entre as variáveis do processo e o set point. Note que a definição exata dessas quantidades variam na indústria.

Depois de usar um ou todos os parâmetros para definir os requisitos de desempenho de um sistema de controle, é importante definir as condições de pior caso e o sistema de controle deverá atender esses requisitos de projeto. Muitas vezes, há um distúrbio no sistema que afeta a variável de processo ou a medição da variável de processo. É importante criar um sistema de controle que responda satisfatoriamente em condições de pior caso. A medida de quão bem o sistema de controle é capaz de superar os efeitos dos distúrbios é conhecida como a rejeição de distúrbios do sistema de controle.

Em alguns casos, a resposta do sistema a uma saída de controle pode mudar ao longo do tempo ou em relação a algumas variáveis. Um sistema não linear é um sistema no qual os parâmetros de controle produzem uma resposta desejada a um ponto de operação e não produzem uma resposta satisfatória em relação a outro ponto de operação. Por exemplo, uma câmara parcialmente preenchida com um líquido vai apresentar uma resposta muito mais rápida na saída de um aquecedor do que quando estiver mais cheia deste mesmo líquido. A robustez do sistema de controle é entendida como a medida com que o sistema irá tolerar os distúrbios e as não-linearidades.

Alguns sistemas apresentam um comportamento indesejável chamado deadtime. Deadtime é um atraso entre o momento que ocorre uma mudança da variável de processo e quando essa mudança pode ser observada. Por exemplo, se um sensor de temperatura é colocado longe de uma válvula de entrada de água fria não irá medir a mudança da temperatura imediatamente se a válvula for aberta ou fechada

Resposta Proporcional

A componente proporcional depende apenas da diferença entre o ponto de ajuste e a variável de processo. Esta diferença é referida como o termo de erro. O ganho proporcional (Kc) determina a taxa de resposta de saída para o sinal de erro. Por exemplo, se o termo de erro tem uma magnitude de 10, um ganho proporcional de 5 produziria uma resposta proporcional de 50. Em geral, aumentando o ganho proporcional irá aumentar a velocidade da resposta do sistema de controle. No entanto, se o ganho proporcional é muito grande, a variável de processo começará a oscilar. Se Kc é aumentado ainda mais, as oscilações ficarão maior e o sistema ficará instável e poderá oscilar até mesmo fora de controle.

Resposta Integral

A componente integral soma o termo de erro ao longo do tempo. O resultado é que mesmo um pequeno erro fará com que a componente integral aumente lentamente. A resposta integral irá aumentando ao longo do tempo a menos que o erro seja zero, portanto, o efeito é o de conduzir o erro de estado estacionário para zero. O Steady-State de erro é a diferença final entre as variáveis do processo e do set point. Um fenômeno chamado windup integral ocorre quando a ação integral satura um controlador, sem que o controlador ajuste o sinal dê erro para zero.

Derivada de Resposta

A componente derivada faz com que a saída diminua se a variável de processo está aumentando rapidamente. A derivada de resposta é proporcional à taxa de variação da variável de processo. Aumentar o parâmetro do tempo derivativo (Td) fará com que o sistema de controle reaja mais fortemente à mudanças no parâmetro de erro aumentando a velocidade da resposta global de controle do sistema. Na prática, a maioria dos sistemas de controle utilizam o tempo derivativo (Td) muito pequeno, pois a derivada de resposta é muito sensível ao ruído no sinal da variável de processo. Se o sinal de feedback do sensor é ruidoso ou se a taxa de malha de controle é muito lenta, a derivada de resposta pode tornar o sistema de controle instável.

O foco principal deste trabalho é a sintonia dos controladores clássicos do tipo PID. A sintonia torna possível o ajuste suave e preciso destes controladores. Mesmo considerando que controladores mais sofisticados, baseados em técnicas inteligentes, possam ser utilizados nos controles industriais, mais da metade dos controladores industriais em uso nos dias atuais utiliza estratégias de controle PID. A importância dos controladores do tipo PID se fundamenta na sua aplicabilidade geral na maioria dos sistemas de controle. Em especial, na área de sistemas de controle de processos contínuos, as estruturas do tipo PID provaram sua utilidade na implementação de um controle satisfatório.

O diagrama de blocos da Figura