Controladores PID:a espinha dorsal da automação industrial moderna

Os controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID) são usados na maioria das aplicações de controle automático de processos na indústria atualmente para regular fluxo, temperatura, pressão, nível e muitas outras variáveis de processos industriais.

Eles datam de 1939, quando as empresas de instrumentos Taylor e Foxboro introduziram os dois primeiros controladores PID. Todos os controladores atuais são baseados nos modos proporcionais, integrais e derivativos originais.

Os controladores PID são o carro-chefe dos modernos sistemas de controle de processos, pois automatizam tarefas de regulação que, de outra forma, teriam que ser feitas manualmente. Embora o modo de controle proporcional seja a principal força motriz de um controlador, cada modo cumpre uma função única. Os modos de controle proporcional e integral são essenciais para a maioria das malhas de controle, enquanto o modo derivativo é excelente para controle de movimento. O controle de temperatura é uma aplicação típica que utiliza todos os três modos de controle.

Controle Manual

Figura 1. Operador realizando controle manual
Sem um controlador PID, o controle manual da temperatura da água é um processo tedioso. Por exemplo, para manter constante a temperatura da água descarregada de um aquecedor industrial a gás, o operador deve observar um medidor de temperatura e ajustar uma válvula de gás combustível de acordo (Figura 1). Se a temperatura da água ficar muito alta, o operador deverá fechar a válvula do gás apenas o suficiente para que a temperatura volte ao valor desejado. Se a água esfriar muito, ele terá que abrir a válvula do gás.

A tarefa de controle realizada pelo operador é chamada de controle de feedback, porque o operador altera a taxa de disparo com base no feedback do processo através do medidor de temperatura. O operador, a válvula, o processo e o medidor de temperatura formam um circuito de controle. Qualquer alteração que o operador faça na válvula de gás afeta a temperatura, que é devolvida ao operador, fechando assim o circuito.

Controle Automático

Para automatizar o controle de temperatura com um controlador PID, são necessários os seguintes itens:

• Instale um dispositivo eletrônico de medição de temperatura
• Automatize a válvula adicionando um atuador (e talvez um posicionador) para que ela possa ser acionada eletronicamente
• Instale um controlador e conecte-o ao dispositivo de medição de temperatura e à válvula de controle automatizado

Figura 2. Controlador PID realizando controle automático
O operador ajusta o ponto de ajuste do controlador PID (SP) para a temperatura desejada e a saída do controlador (CO) define a posição da válvula de controle. A medição da temperatura, chamada variável de processo (PV), é então transmitida ao controlador PID, que a compara com o ponto de ajuste e calcula a diferença, ou erro (E), entre os dois sinais. Com base no erro e nas constantes de ajuste do controlador, o controlador calcula a saída apropriada do controlador para definir a válvula de controle na posição correta para manter a temperatura no ponto de ajuste (Figura 2). Se a temperatura subir acima do ponto de ajuste, o controlador reduzirá a posição da válvula e vice-versa.

Cada um dos três modos do controlador reage de maneira diferente ao erro. A quantidade de resposta produzida por cada modo de controle é ajustável alterando as configurações de sintonia do controlador.

Modo de controle proporcional

O modo de controle proporcional altera a saída do controlador proporcionalmente ao erro. Se o erro aumentar, a ação de controle aumenta proporcionalmente.

A configuração ajustável para controle proporcional é chamada de Ganho do Controlador (Kc). Um ganho mais alto do controlador aumenta a quantidade de ação de controle proporcional para um determinado erro. Se o ganho do controlador estiver muito alto, a malha de controle começará a oscilar e se tornará instável. Se definido para um valor muito baixo, o circuito de controle não responderá adequadamente a perturbações ou alterações de ponto de ajuste.

Para a maioria dos controladores, o ajuste da configuração de ganho do controlador influencia a quantidade de resposta nos modos de controle integral e derivativo.

O controlador somente proporcional

Um controlador PID pode ser configurado para produzir apenas uma ação proporcional, desligando os modos integral e derivativo. Os controladores proporcionais são simples de entender e fáceis de ajustar:a saída do controlador é simplesmente o erro do controle vezes o ganho do controlador, mais uma polarização. A polarização é necessária para que o controlador possa manter uma saída diferente de zero enquanto o erro for zero (variável do processo no ponto de ajuste). A desvantagem é a compensação, que é um erro sustentado que não pode ser eliminado apenas pelo controle proporcional. Sob controle somente proporcional, o deslocamento permanecerá presente até que o operador altere manualmente a polarização na saída do controlador para remover o deslocamento. Isso é conhecido como reinicialização manual do controlador.

Modo de controle integral

Figura 3. (esquerda) O algoritmo do controlador PID não interativo; (à direita) o algoritmo do controlador PID paralelo
A necessidade de reinicialização manual levou ao desenvolvimento da reinicialização automática, conhecida como modo de controle integral. A função do modo de controle integral é aumentar ou diminuir a saída do controlador ao longo do tempo para reduzir o erro, desde que haja algum erro presente (variável de processo fora do ponto de ajuste). Com tempo suficiente, a ação integral acionará a saída do controlador até que o erro seja zero.

Se o erro for grande, o modo integral aumentará/diminuirá a saída do controlador rapidamente; se o erro for pequeno, as mudanças serão lentas. Para um determinado erro, a velocidade da ação integral é definida pela configuração de tempo integral (Ti) do controlador. Se o tempo integral for definido muito longo, o controlador ficará lento; se for definido muito curto, a malha de controle oscilará e se tornará instável.

A maioria dos controladores usa o tempo integral em minutos como unidade de medida para controle integral. Alguns usam tempo integral em segundos e alguns controladores usam ganho integral (Ki) em repetições por minuto.

Controlador Proporcional + Integral

Comumente chamado de controlador PI, a saída do controlador proporcional + integral é composta pela soma das ações de controle proporcional e integral.

Após uma perturbação, o modo integral continua a incrementar a saída do controlador até eliminar todo o desvio e trazer a temperatura de saída do aquecedor de volta ao seu ponto de ajuste.

Modo de controle derivativo

O controle derivativo raramente é usado no controle de processos, embora seja frequentemente usado no controle de movimento. É muito sensível ao ruído de medição, dificulta o ajuste por tentativa e erro e não é absolutamente necessário para o controle do processo. No entanto, o uso do modo derivativo de um controlador pode fazer com que certos tipos de malhas de controle – controle de temperatura, por exemplo – respondam mais rapidamente do que apenas com controle PI.

O modo de controle derivativo produz uma saída baseada na taxa de variação do erro. Produz mais ação de controle se o erro mudar mais rapidamente; se não houver mudança no erro, a ação derivada é zero. Este modo possui uma configuração ajustável chamada Tempo Derivativo (Td). Quanto maior for o ajuste do tempo derivativo, mais ação derivativa será produzida. Entretanto, se o tempo derivativo for definido muito longo, ocorrerão oscilações e a malha de controle ficará instável. Uma configuração de Td igual a zero desativa efetivamente o modo derivativo. Duas unidades de medida são usadas para o ajuste derivativo de um controlador:minutos e segundos.

Controlador Proporcional + Integral + Derivativo

Figura 4. Resposta dos controladores P, PI e PID a uma perturbação
A saída de um controlador PID é composta pela soma das ações de controle proporcional, integral e derivativo. Os algoritmos de controle PID vêm em designs diferentes, incluindo o algoritmo não interativo e o algoritmo paralelo. Ambos são mostrados na Figura 3.

Em um controlador PID, o modo derivativo fornece mais ação de controle mais cedo do que é possível com controle P ou PI. Isto reduz o efeito de uma perturbação e encurta o tempo que leva para o nível retornar ao seu ponto de ajuste.

A Figura 4 compara o tempo de recuperação da temperatura de saída do aquecedor de processo após uma mudança repentina na pressão do gás combustível sob controle P, PI e PID.

Ajuste do controlador

Os controladores PID requerem ajuste, mas quando chegaram ao mercado, não havia instruções claras sobre como fazer isso. O ajuste foi feito por tentativa e erro até 1942, quando dois métodos de ajuste foram publicados por J. G. Ziegler e N. B. Nichols da Taylor Instruments Company.

Essas regras de ajuste funcionam bem em processos com constantes de tempo muito longas em relação aos seus tempos mortos e em malhas de controle de nível, que contêm um processo integrador. Eles não funcionam bem em malhas de controle que contêm processos autorregulados, como fluxo, temperatura, pressão, velocidade e composição.

Um processo autorregulado sempre se estabiliza em algum ponto de equilíbrio, o que depende do projeto do processo e da saída do controlador; se a saída do controlador for definida para um valor diferente, o processo responderá e se estabilizará em um novo ponto de equilíbrio.

A maioria das malhas de controle contém processos autorregulados e métodos de ajuste foram desenvolvidos para eles. As regras de sintonia de Cohen-Coon, por exemplo, funcionam bem em praticamente todas as malhas de controle com processos autorregulados. Essas regras foram originalmente projetadas para fornecer uma resposta muito rápida, mas isso resultou em loops com alta resposta oscilatória. Com pequenas modificações nas regras, as malhas de controle ainda respondem rapidamente, mas são muito menos propensas a oscilações. Hoje existem mais de 100 métodos de ajuste de controladores, cada um projetado para atingir um determinado objetivo.

Conclusão

Os sistemas modernos de controle de processos não poderiam existir sem controladores PID, pois todas as funções de controle teriam que ser feitas manualmente. Cada um dos modos de controle proporcional, integral e derivativo cumpre uma função única, e regras de ajuste foram desenvolvidas para garantir controle de processo eficiente para todos os tipos de malhas e aplicações.

Este artigo foi escrito por Lee Payne, CEO da Dataforth Corporation, Tucson, AZ. Para mais informações, clique aqui.

Recursos

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Referências

• an122: Introdução ao controle PID
• an123: Ajustando Loops de Controle para Resposta Rápida
• an124: Ajustando Loops de Controle com o Método de Ajuste IMC
• an125: Ajustando Loops de Controle de Nível
• an126: Ajustando os loops de controle de nível do tanque de compensação