As três faces do PID

A indústria de controle de processos é fortemente dominada por controladores proporcional-integral-derivative (PID)> , no entanto, mesmo esses componentes maravilhosos têm suas próprias limitações. O comportamento do PID loops é difícil de entender, algo que piora sempre que surge uma falha e é necessária a solução de problemas. No entanto, técnicos e engenheiros se esforçam para alcançar a coerência entre os três blocos de construção do controlador, ou seja, ações proporcionais, integrais e derivadas.

Quando os controladores foram introduzidos pela primeira vez, eles eram apenas proporcionais e, embora isso os tornasse fáceis de entender, logo eles não conseguiram lidar com erros. Esses controladores tendiam a parar cedo demais sempre que os erros precisavam ser eliminados entre a variável de processo e o ponto de ajuste. Isso levou à adição de ação integral dentro do anteriormente, “controlador proporcional”.

Ação Integral

Os operadores logo descobriram que poderiam compensar a queda resultante da diminuição da ação proporcional por meio da adição manual de polarização ao esforço de controle, o suficiente para superar a minúscula lacuna entre a variável do processo e o ponto de ajuste. Isso ficou conhecido como “redefinir” o loop.

Inicialmente os operadores foram incumbidos de realizar este “reset”, mas logo foi introduzido o reset automático, eliminando o atraso que surgia das intervenções manuais. Hoje, essa reinicialização automática é denominada ação integral, enquanto o ganho que determina a magnitude da resposta necessária às vezes é chamado de “taxa de reinicialização”. Enquanto a variável de processo e o ponto de ajuste diferem, uma alta taxa de reinicialização tende a empurrar o controlador para gerar um esforço de controle agressivo . Mas aqui está a coisa, a ação integral continua a crescer enquanto o erro permanecer, ao contrário da ação proporcional que tende a diminuir à medida que o erro é minimizado.

Isso pode parecer favorável, mas na verdade tem seus próprios problemas. Por exemplo, se o processo controlado for lento, o erro demorará um pouco para desaparecer enquanto o controlador empregará ações integrais agressivas para eliminá-lo. Se o operador definir a taxa de reinicialização muito alta, o controlador compensará o erro, resultando em um erro ainda maior na direção negativa, levando a ciclos de busca para frente e para trás até que o erro seja completamente eliminado.

Redefinir encerramento

A ação integral é mais adequada para aplicações em que um processo possui um atuador muito pequeno para produzir um grande esforço de controle. Por exemplo, se uma válvula é muito pequena para gerar uma vazão alta o suficiente, quando um queimador não é grande o suficiente para fornecer calor suficiente, etc. Sempre que tais situações surgem, diz-se que o atuador está saturado em alguma válvula limitadora.

Essa saturação acaba levando a erros positivos entre o set-point e a variável de processo. A ação integral continua sendo mais agressiva, mas o atuador estrangula e impede a retificação do erro. Durante o tempo em que o atuador estiver travado em 100%, o erro total integrado terá alcançado um valor enorme. Isso forçará o controlador a um estado sem resposta e impedirá que o operador conserte o erro reduzindo o nível do ponto de ajuste para uma faixa alcançável.

Várias soluções foram projetadas e implementadas para proteger o controlador contra a reinicialização, com a maioria delas envolvendo o desligamento do integrador.

Ação derivada

A ação derivativa de um controlador PID atua como uma benção mista, diminuindo o esforço de controle na proporção da taxa de variação do erro para que a descida da variável de processo ao set-point possa ser desacelerada. Isso reduz as chances de ultrapassar e caçar . Mas, se a ação derivativa for muito agressiva, ela pode causar a caça por si só. Esse efeito é comumente observado em processos que respondem rapidamente aos esforços do controlador, por exemplo. motores e robótica.

A ação derivativa também pode adicionar um pico repentino ao esforço de controle sempre que o erro muda abruptamente. Isso força o controlador a entrar em ação, mesmo antes que as partes proporcionais ou integrais do PID possam entrar em ação. Em comparação com um controlador PI de dois termos, um controlador PID completo de três termos pode antecipar o nível de esforço que seria necessário para manter a variável do processo estável.

Embora esse controle preditivo seja benéfico em algumas aplicações, não é favorável em outras. Por exemplo, uma rajada de ar quente não será confortável para os ocupantes de uma sala ou, em escala industrial, para a parede do forno.

Correções

Os controladores PID modernos visam resolver todos esses problemas. Algumas características comuns dos controladores PID de hoje incluem:

• Redefinir proteção contra finalização
• Calculadora de ações derivadas
• Filtragem de ruído

Uma técnica em particular que melhorou muito a precisão do controlador PID é o ajuste de loop. Esta, por si só, é a arte de selecionar valores apropriados para os ganhos proporcionais, integrais e derivativos, obtendo assim uma resposta rápida às mudanças de variáveis ​​de processo. A técnica foi complementada por inúmeras metodologias, bem como apoiada por uma infinidade de pacotes de software para garantir a máxima estabilidade dentro do sistema.

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