CONHECIMENTO BÁSICO – CONTROLADOR PID
o Que é um controlador PID utilizado e como ele funciona? Durante décadas, a PID foi estabelecida como a forma mais popular de controle do processo – mas por que isso acontece? A resposta, como explicado neste artigo, é que ele supera as deficiências de outros tipos de controle. A explicação inclui uma discussão de como os controladores PID se relacionam com outros métodos de controle, o que os Termos PID significam, e como os controladores operam.,
uma hierarquia de Sistema de controle
os sistemas de controle são onipresentes em aplicações industriais, médicas, militares, automotivas, utilitárias e muitas outras – e às vezes aparecem em nossas vidas diárias., No entanto, eles vêm em muitos tipos, dos quais o controle PID é apenas um, embora o mais sofisticado. Assim, começamos explicando a hierarquia do sistema de controle que existe hoje, e mostrando como o controle PID se encaixa nisso. Depois, concentramo-nos nos controladores PID e como funcionam.
Controle de ciclo aberto-o tipo mais básico. Um exemplo é uma mangueira de jardim, ligada a uma torneira. Embora a torneira possa ser operada por um usuário para regular o fluxo de água, a mangueira não tem mecanismo de retroalimentação para “fechar o laço” para regulação automática.,
On / off ou “Bang-Bang” control – esta é a forma mais simples de controle de circuito fechado, e é exemplificado por um sistema de aquecimento doméstico com um termóstato de sala. O termóstato compara o valor medido à temperatura ambiente (MV) com o seu ponto de referência (SP) ajustado pelo seu utilizador. O sistema usa o feedback MV para fechar o loop. Se a temperatura for muito baixa, liga o aquecimento central para aquecer a sala até atingir a temperatura SP. Se a temperatura exceder o SP, o aquecimento será desligado, e, possivelmente, o ar condicionado será iniciado para o arrefecimento ativo.,os termóstatos práticos têm uma histerese ou banda morta. Isto pode ser tipicamente 4°C, então para um ponto fixo de 20 ° C, o termóstato liga-se a 18°C e abaixo, e desligado a 22°C e acima. Isso expõe as limitações do controle on/off; sem histerese, o termóstato mudaria continuamente, o que pode causar desgaste excessivo, e possivelmente ruído audível intrusivo. Inversamente, se o intervalo da histerese for muito largo, a temperatura ambiente será sub-ideal para a maior parte do tempo.,além disso, em alguns sistemas industriais, uma reviravolta repentina e plena carga pode levar a problemas com correntes inrush.
controle Proporcional é um controle contínuo método que oferece mais sutil, robusto e de melhor qualidade, desempenho que o relativamente bruto on/off abordagem. No entanto, projetar e otimizar um loop de controle para uma aplicação particular não é sem alguns desafios., É geralmente desejável, se não essencial, alcançar o tempo de resposta mais rápido possível e a maior precisão em estado estacionário, sem criar um risco de instabilidade. Uma vez estabelecido, o laço deve manter o seu melhor desempenho mesmo durante condições de processo imprevisíveis e em mudança.
abaixo, vemos como os sistemas de controle proporcionais operam, e como seu desempenho pode ser avaliado. Em seguida, introduzimos os conceitos das funções integrais (I) e derivadas (D), e explicamos seu papel essencial na otimização do desempenho de controle de ciclo fechado para controladores PID., Vemos como as funções podem ser sintonizadas para o melhor tempo de resposta e precisão contra a estabilidade em todas as condições.
hoje em dia, os controladores mais proporcionais e PID são implementados usando microprocessadores ou microcontroladores incorporados, ou como software executado em um PLC ou maior controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) sistema. No entanto, há excepções. Os controladores analógicos de PID ainda são usados para aplicações de alta largura de banda e baixo ruído, e sistemas pneumáticos ainda estão disponíveis .,
Note que, independentemente da tecnologia do controlador PID, as variáveis de entrada e saída são normalmente analógicas.
nesta configuração, a variável de Processo é o parâmetro do sistema que precisa ser controlado, como temperatura, pressão ou caudal. O sensor mede esta variável e alimenta um sinal correspondente, que é geralmente elétrico em um sistema de controle de processo moderno; tipicamente, 4-20mA. Isto é comparado com o valor setpoint, que poderia ser ajustado por um usuário como no exemplo do termóstato., No entanto, em um sistema industrial, ele pode ser definido por outro processo, ou por um programa de controle programável de controle lógico (PLC).
a saída A partir desta comparação é o sinal de Erro, que é usado pelo controlador para calcular a sua saída para o processo. O ganho proporcional do controlador (Kp) determina a relação entre a resposta de saída e o sinal de erro.
em qualquer caso, a saída do controlador é usada para dirigir um atuador – que pode ser um aquecedor em um processo industrial, por exemplo., Assim, à medida que o processo aquece em direção ao setpoint, o sinal de erro é reduzido à medida que a temperatura se aproxima do nível desejado. No entanto, o controle proporcional por si só não pode fornecer um controle perfeitamente preciso; ele não pode, por si só, eliminar completamente o sinal de erro, uma vez que a saída se torna insignificante à medida que o sinal de erro se aproxima de zero. Além disso, a saída do atuador não é muitas vezes a única influência sobre o sistema. por exemplo, em uma câmara de temperatura pode haver uma fonte de ar frio que às vezes sopra para a câmara e muda a temperatura., Isto chama-se perturbação. Além disso, a resposta do sistema a uma saída de controle pode mudar ao longo do tempo ou em resposta a alguma variável. Por exemplo, uma câmara parcialmente cheia de fluido exibirá uma resposta muito mais rápida à saída de aquecedor quando quase vazia do que quando quase cheia de fluido. Isto cria um sistema não linear no qual os parâmetros de controle que produzem uma resposta desejada em um ponto de operação podem não produzir uma resposta satisfatória em outro ponto de operação.,o tempo morto, causado por fatores como atrasos decorrentes do fluxo de fluido através de tubos, pode ser outra questão. Assim, os sistemas de controle devem ser projetados para minimizar os efeitos de distúrbios na variável do processo, processos não lineares e tempo morto.
o processo de concepção do controlo
o processo de concepção do controlo começa por definir os requisitos de desempenho. O desempenho do sistema de controle é muitas vezes medido através da aplicação de uma função step para a entrada de ponto set, e, em seguida, medir a resposta da variável de processo., Isto é geralmente quantificado pela medição de características de forma de onda definidas.
tempo de subida é a quantidade de tempo que o sistema demora a passar de 10% para 90% do valor em estado estacionário ou final. Percentagem de superação é a quantidade que a variável de processo ultrapassa o valor final, expresso em percentagem do valor final. Tempo de liquidação é o tempo necessário para que a variável do processo se liquide dentro de uma determinada percentagem (geralmente 5 %) do valor final. Erro de estado estacionário é a diferença final entre a variável do processo e o ponto de ajuste., Note que a definição exata dessas quantidades variará na indústria e no meio acadêmico.o que é um controlador PID?
vamos agora olhar para os efeitos de variar o componente proporcional da saída do controlador, e de introduzir Termos integrais (I) e derivados (V).
Se tivermos apenas um controlador proporcional (P), Podemos começar por definir o ganho Kp para um valor modesto, como 10 (K é adimensional). Depois de aplicar a entrada de passo, a saída será estável, mas irá se aproximar do valor desejado lentamente., Se o Kp for aumentado para, digamos, 100, tanto o erro do estado estacionário quanto o tempo de subida serão reduzidos – até agora, tudo bem. No entanto, se aumentarmos a Kp para 200, embora o tempo de subida e o erro do estado estacionário sejam ainda mais reduzidos, começa a surgir excesso. a partir de Agora, o aumento do PK apenas aumenta a superação, sem mais reduções no tempo de subida ou erro no estado estacionário. E overshoot pode eventualmente tornar-se oscilação subdimensionada, o que significa que o sistema será instável.,
a solução da indústria para isso tem sido adicionar componentes integrais (I) e derivados (V) à saída proporcional (P) do controlador, para construir um controlador PID.
O componente Integral soma o termo de erro ao longo do tempo. O resultado é que mesmo um pequeno termo de erro fará com que o componente integral aumente lentamente. A resposta integral irá aumentar continuamente ao longo do tempo, a menos que o erro seja zero, então o efeito é conduzir o erro de estado estacionário para zero., A phenomenon called integral windup results when integral action saturates a controller without the controller driving the error signal toward zero.embora a ação integral possa eliminar o erro de estado estacionário, ela pode contribuir fortemente para a superação da saída do controlador e possível instabilidade. No entanto, o controle de PI pode ser adequado para alguns processos, onde a velocidade do sistema não é importante. No entanto, quando a instabilidade é uma preocupação potencial, a solução é implementar um controlador PID adicionando um componente derivado.,os componentes derivados actuam sobre a taxa de alteração do sinal de erro. Quanto mais alterações de erro ou quanto maior o tempo derivado, maior o fator derivado se torna. O efeito disto é neutralizar o excesso causado por P E I. Quando o erro é grande, O P E o I empurrarão a saída do controlador. Esta resposta do controlador faz a mudança de erro rapidamente, o que por sua vez faz com que a derivada para neutralizar o P E o I mais agressivamente. Um derivado devidamente usado permite fatores mais agressivos proporcionais e integrais., Maior tempo derivado torna a derivada mais agressivamente amortecer P E I.
Assista Também este vídeo para obter o controlador PID explicado!
afinação de um controlador PID
estabelecimento da combinação ideal de parâmetros P,I E D para um laço de controlo específico é feito por afinação – e três abordagens de afinação são possíveis: manual, heurístico (‘regra de polegar’), e automatizado.
afinação Manual PID é feita ajustando o tempo de reset (integral) para o seu valor máximo e a taxa (derivada) para zero, e aumentando o ganho até que o loop oscila a uma amplitude constante., (Quando a resposta a uma correção de erro ocorre rapidamente um ganho maior pode ser usado. Se a resposta for lenta, um ganho relativamente pequeno é desejável). Em seguida, definir o ganho do controlador PID para metade desse valor e ajustar o tempo de reset para que ele corrige para qualquer deslocamento dentro de um período aceitável. Finalmente, aumentar a taxa de PID loop até que o overshoot é minimizado
Zeigler e Nichols’ dois métodos heurísticos de sintonia de um controlador PID foram publicados pela primeira vez em 1942., Estes trabalham aplicando uma mudança de passo no sistema e observando a resposta resultante. O primeiro método implica a medição do atraso na resposta e, em seguida, o tempo necessário para atingir o novo valor de saída. O segundo depende do estabelecimento do período de uma oscilação em estado estacionário. Em ambos os métodos, estes valores são então inseridos em uma tabela para derivar os valores para ganho, redefinir o tempo e a taxa para o controlador PID.
a maioria dos controladores de PID vendidos hoje incorporam funções de ajuste automático. Os detalhes de operação variam entre os fabricantes, mas todos seguem regras semelhantes às descritas acima., Essencialmente, o controlador PID “aprende” como o processo responde a uma perturbação ou mudança no ponto definido, e calcula configurações PID apropriadas.
A série de controladores de temperatura de platina da OMEGA são exemplos de dispositivos com capacidade de ajuste automático.quais são os parâmetros de ajuste de PID? Encontre as respostas neste vídeo!
a concepção de sistemas de controlo baseados no PID – a partir do seu computador
o conjunto de ferramentas LabVIEW do NI apresenta uma grande variedade de instrumentos virtuais (VIs) que ajudam muito no desenho de um sistema de controlo baseado no PID ., PID VIs permite o desenvolvimento de algoritmos de derivação proporcional (P); integral proporcional (PI); derivada proporcional (PD); e derivada integral proporcional (PID).
conclusão
neste artigo, vimos como os controladores de PID podem ser usados para otimizar os loops de controle para o tempo de resposta, precisão e estabilidade sob todas as condições do processo – e como os Termos I E D fornecem um nível de controlabilidade não possível com o termo proporcional sozinho.