Prevenindo Reset Windup em PID: Estratégias para Controle de Processo Confiável

PID serviu à indústria de controle de processo por bem mais de uma década e solidificou-se como a técnica primária para sistemas de controle de feedback. Ao longo dos anos, a técnica viu uma série de atualizações e melhorias, dando lugar a dispositivos pneumáticos, eletrônicos e baseados em computador, garantindo controle mais apertado sobre processos.

Uma das primeiras descobertas em sistemas PID foi a ação integral, também conhecida como reset de automação, que melhorou significativamente o desempenho de controladores equipados com ação proporcional. Um controlador "P-only" aplica um esforço corretivo proporcional à diferença entre valor medido e o setpoint, o que pode ser resumido como:

• Se a diferença ou erro aumenta, o controlador P-only responde com um esforço de controle positivo para reduzir a diferença.
• Se a diferença diminui, o controlador injeta um esforço de controle negativo.

A implementação inteira é fácil de entender e manter, mas mantém a falha de longevidade, significando que à medida que o erro diminui, o esforço de controle também diminui. Isso desacelera a taxa na qual o erro é diminuído, aumentando o tempo total levado para o erro cessar. Mas o erro nunca cessa de existir também, com o controlador P deixando o processo com um leve offset.

Este erro de estado estacionário é corrigido através de ação integral que opera em paralelo ao controlador P, garantindo que o esforço de controle permaneça enquanto o erro tiver valor não-zero. Isso compõe o controlador PI. Embora este controlador garanta um esforço consistente para eliminar o erro, ele dá origem a outros problemas. O problema mais importante que surge é instabilidade em malha fechada, com a ação integral causando a variável de processo a ultrapassar o setpoint desejado. Este problema se torna excepcionalmente prejudicial se o processo de controle é altamente sensível, causando o overshoot a criar um erro ainda maior na direção oposta. Isso inicia outro processo de eliminação de erro.

Para retificar isso, engenheiros usam técnicas analíticas para determinar ganhos integrais e proporcionais que se ajustariam perfeitamente ao processo.

O Erro de Reset Windup

Se um grande esforço de controle é usado para mitigar um erro de magnitude significativa para um processo cujo atuador é muito pequeno, o resultado é reset windup. O atuador satura em um valor específico correspondente à sua saída máxima, incapaz de afetar o processo além disso. O operador pode tentar mitigar o problema reduzindo o valor do setpoint para que caia dentro da faixa que o atuador pode alcançar, mas isso não funcionará. Por quê? Porque neste momento o erro integrado teria alcançado um valor enorme, e o controlador continuamente tentaria fazer o atuador gerar uma resposta maior que seu limite superior.

No entanto, se o setpoint for baixado o suficiente, o erro integrado começará a diminuir. Isso teria que ser combinado com uma sequência de erros negativos para cancelar o efeito de erros positivos acumulados durante o tempo em que o atuador esteve no estado saturado.

Outra maneira de se livrar deste erro é instalando um atuador grande o suficiente para produzir a mudança necessária para o processo sem saturar.

A Correção de Pré-Carga

Reset windup também pode ocorrer se o atuador estiver desligado enquanto o controlador está ligado. Por exemplo, no caso de um controlador em cascata, se o loop interno está em modo manual, ele não teria efeito sobre o controlador do loop externo. Se o controlador do loop externo continuar a operar, sua ação integral "enrolaria".

Uma solução simples para este problema é que sempre que o atuador não estiver rodando, o integrador do controlador deve ser desligado. Outra solução é ajustar o setpoint para o valor da variável de processo entre lotes. Mas, existem melhores métodos de corrigir reset windup.

Em um cenário de pré-carga, a saída do integrador do controlador é fixada para que o processo inicie o próximo lote com o erro que adquiriu do lote anterior. Com pré-carga, o reset pode continuar exatamente do lote anterior, reduzindo o tempo necessário para estabilizar em um estado constante.

Isso funciona melhor se os lotes são idênticos para que o controlador tenha que obter o mesmo setpoint toda vez. Se os lotes não são idênticos, então um modelo matemático deve ser usado para prever a ação integral necessária para a próxima rodada. Esta abordagem funciona para um processo contínuo se modelado antes de iniciar o processo.

A Correção de Transferência Sem Solavancos (Bumpless Transfer)

No entanto, pré-carga pode levar a alguns contratempos. Um problema potencial é o ajuste abrupto na saída do atuador uma vez que cada rodada começa, o que pode danificar o atuador. Similarmente, quando o controlador é comutado de modo automático para manual e vice-versa, qualquer tentativa do operador de modificar o esforço de controle também pode danificar o atuador.

Bumpless Transfer usa pré-carga artificial para resolver estes contratempos. O integrador é carregado com o valor necessário para reiniciar operadores, eliminando a necessidade de mudar o esforço de controle. O controlador ainda teria que contabilizar mudanças na variável de processo ou setpoint, mas haveria menos solavanco ao mudar para modo automático.

Complicações de Tempo Morto

Tempo morto é o tempo levado pela variável de processo para ajustar após uma mudança no esforço de controle. Isso acontece quando o sensor variável está muito downstream do atuador. Não importa o quão duro o controlador tente, ele não pode aliviar o erro até que os parâmetros físicos do sensor mudem.

À medida que o controlador tenta corrigir os erros, tanto o erro quanto a variável de processo param de se mover, resultando em uma ação integral enrolada como se o atuador estivesse desligado. Uma solução para isso é diminuir o ganho integral, o que reduziria a ação integral máxima devido ao windup e eliminaria o tempo morto.

O problema também pode ser resolvido emitindo a ação integral com um tempo morto, dando tempo de buffer ao windup para diminuir. Uma maneira de aprimorar esta técnica é adicionando intervalos intermitentes à ação integral. Deixar a ação proporcional funcionar por algum tempo e então ligar a ação integral pode encurtar o tempo necessário para o erro ser zero.

Este é apenas um exemplo de uso de PID. Algoritmos PID foram grandemente modificados para levar em conta atuadores limitados por velocidade, ruído de medição de variável de processo, modelos de processo variáveis no tempo, e assim por diante.

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