Erros PID:redefinir Windup

O PID atende a indústria de controle de processos há mais de uma década e se solidificou como a principal técnica para controle de feedback sistemas. Ao longo dos anos, a técnica passou por uma série de atualizações e melhorias, dando lugar a dispositivos pneumáticos, eletrônicos e baseados em computador, garantindo maior controle sobre os processos.



Um dos primeiros avanços nos sistemas PID foi a ação integral, também conhecida como reset de automação, que melhorou significativamente o desempenho dos controladores equipados com ação proporcional. Um controlador “P-only” aplica um esforço corretivo proporcional à diferença entre o valor medido e o setpoint, que pode ser resumido como:

• Se a diferença ou o erro aumentar, o controlador somente P responde com um esforço de controle positivo para reduzir a diferença.
• Se a diferença diminuir, o controlador injeta um esforço de controle negativo.

Toda a implementação é fácil de entender e manter, mas contém a falha da longevidade, ou seja, à medida que o erro diminui, o esforço de controle também diminui. Isso diminui a taxa na qual o erro é diminuído, aumentando o tempo total necessário para que o erro cesse. Mas o erro nunca deixa de existir também, com o controlador P deixando o processo com um pequeno deslocamento.

Este erro de regime permanente é corrigido através de uma ação integral que opera em paralelo ao controlador P, garantindo que o esforço de controle permaneça enquanto o erro tiver um valor diferente de zero. Isso compensa 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 a instabilidade em malha fechada, com a ação integral fazendo com que a variável de processo ultrapasse o setpoint desejado. Esse problema se torna excepcionalmente prejudicial se o processo de controle for altamente sensível, fazendo com que o overshoot crie um erro ainda maior na direção oposta. Isso inicia mais um processo de eliminação de erros.

Para corrigir isso, os engenheiros usam técnicas analíticas para determinar ganhos integrais e proporcionais que se encaixam perfeitamente no processo.

O erro de redefinição de encerramento

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 um reset windup. O atuador fica saturado em um valor específico correspondente à sua saída máxima, incapaz de afetar mais o processo. O operador pode tentar mitigar o problema reduzindo o valor do setpoint para que fique dentro da faixa que o atuador pode alcançar, mas isso não funcionará. Por quê? Porque a essa altura o erro integrado teria alcançado um valor enorme e o controlador tentaria continuamente fazer com que o atuador gerasse uma resposta maior que seu limite superior.

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

Outra maneira de se livrar desse erro é instalar um atuador grande o suficiente para produzir uma mudança necessária para o processo sem saturar.

A correção de pré-carregamento

O encerramento do reset também pode ocorrer se o atuador estiver desligado enquanto o controlador estiver ligado. Por exemplo, no caso de um controlador em cascata, se o loop interno estiver em modo manual, não terá efeito sobre o controlador de loop externo. Se o controlador de loop externo continuar a operar, sua ação integral “terminará”.

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

Em um cenário de pré-carregamento, a saída do integrador do controlador é corrigida para que o processo inicie o próximo lote com o erro adquirido do lote anterior. Com o pré-carregamento, a reinicialização pode continuar desde o lote anterior, reduzindo o tempo necessário para estabilizar em um estado constante.

Isso funciona melhor se os lotes forem idênticos, de modo que o controlador tenha que obter sempre o mesmo ponto de ajuste. Se os lotes não forem idênticos, um modelo matemático deve ser usado para prever a ação integral necessária para a próxima rodada. Essa abordagem funciona para um processo contínuo se for modelada antes de iniciar o processo.

A correção de transferência sem problemas

No entanto, o pré-carregamento pode levar a alguns soluços. Um problema potencial é o ajuste abrupto da saída do atuador uma vez que cada rodada é iniciada, o que pode danificar o atuador. Da mesma forma, quando o controlador é comutado do modo automático para manual e vice-versa, qualquer tentativa do operador de modificar o esforço de controle também pode danificar o atuador.

O Bumpless Transfer usa pré-carregamento artificial para resolver esses soluços. O integrador é carregado com o valor necessário para reiniciar os operadores, eliminando a necessidade de alterar o esforço de controle. O controlador ainda teria que levar em conta as mudanças na variável de processo ou ponto de ajuste, mas haveria menos impacto ao mudar para o modo automático.

Complicações de tempo morto

Deadtime é o tempo que a variável do processo leva para se ajustar após uma mudança no esforço de controle. Isso acontece quando o sensor variável está muito a jusante do atuador. Não importa o quanto o controlador tente, ele não pode aliviar o erro até que os parâmetros físicos dos sensores 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 fosse desligado. Uma solução para isso é diminuir o ganho integral, o que diminuiria 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 ao buffer de finalização para diminuir. Uma maneira de aprimorar essa técnica é adicionar intervalos intermitentes à ação integral. Deixar a ação proporcional funcionar por algum tempo e depois ativar a ação integral pode encurtar o tempo necessário para que o erro seja zero.

Este é apenas um exemplo de uso do PID. Os algoritmos PID foram bastante modificados para levar em conta atuadores de velocidade limitada, ruído de medição de variável de processo, modelos de processo de variação de tempo e assim por diante.

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