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Dominando o Controle PID: Princípios Fundamentais e Ajuste Eficaz de Malha

O setor industrial depende fortemente de controladores PID para todos os tipos de necessidades de automação. Um laço de controle é um mecanismo de feedback fundamental colocado para preencher a lacuna entre a variável de processo medida e o ponto de ajuste desejado. Controladores são usados para aplicar os esforços corretivos apropriados através de interfaces chamadas atuadores que podem elevar ou baixar a variável. O controlador aplica o esforço corretivo em um laço, até que o erro seja eliminado até a precisão desejada.

História

Quando os primeiros controladores de feedback entraram em produção, eles foram projetados apenas com o termo proporcional. No entanto, logo percebeu-se que controladores apenas-P só conseguiam reduzir o erro para um valor insignificante, mas ainda não-zero. Isso exigia que os operadores ajustassem manualmente o ganho até que o último vestígio de erro fosse removido.

Para realizar automaticamente esta última ação, o termo integral foi introduzido, e frequentemente chamado de reset automático devido à sua capacidade de ajustar a ação proporcional. Pouco depois, o termo derivativo foi introduzido e descrito como controle de taxa, atuando como um preditor grosseiro de erros que podem acontecer com base na inclinação atual do erro.

Fundamentos do PID

Um Controlador PID utiliza a seguinte fórmula para calcular sua saída, ou seja, u(t), enquanto e(t) é o sinal de erro, que é a diferença entre a variável de processo e o ponto de ajuste.

Controladores PID têm alguns termos associados a eles; estes incluem:

Ajuste de Malha

Frequentemente referido como uma arte, o ajuste de malha de um controlador PID significa selecionar valores para os parâmetros de ajuste, ou seja, P, TI e TD, para que o controlador possa eliminar o erro em um tempo respeitável, sem causar muitas flutuações.

O controlador de cruzeiro de um carro fornece um bom exemplo disso. Sempre que um carro começa, sua inércia adiciona um atraso entre o momento em que o acelerador foi pressionado e o momento em que a velocidade desejada é alcançada. As ações derivativa e proporcional do controlador neste caso não devem entrar instantaneamente, mas de uma forma que não seja muito desconfortável para os passageiros ou dura para as partes internas da máquina. Se o atraso em atingir a velocidade desejada for muito longo, a ação integral também entraria em ação e dominaria a saída do controlador.

Definir os três parâmetros não é uma coisa fácil de fazer, pois todos os três são interdependentes, o que significa que modificar um deles afetaria o desempenho dos outros dois também.

Ajuste Ziegler-Nichols

Em 1942, John G. Ziegler e Nathaniel B. Nicholas, que trabalhavam na Taylor Instruments, criaram uma metodologia interessante para lidar com problemas de ajuste de malha.

Sua técnica de malha aberta envolve colocar o controlador através de um teste de degrau offline, após o qual uma curva chamada curva de reação é plotada com base nos resultados. No ponto mais íngreme da curva, uma tangente é desenhada que fornece informações sobre a rapidez com que o processo reage a uma mudança de degrau. Ambos chegaram à seguinte conclusão:

Finalmente, Ziegler & Nicholas criaram fórmulas que lhes forneceram valores para os três parâmetros, ou seja, P, TI e TD a partir de T, d e K. As fórmulas são:

Uma vez que esses parâmetros são carregados na fórmula PID, e o controlador é colocado em estado automático, nenhuma interrupção adicional é necessária para eliminar erros ou flutuações.

Ainda assim, o ajuste de malha PID não é um processo simples, e requer iterações sempre que a natureza do processo muda de qualquer maneira. É por isso que o ajuste de malha é referido como uma arte e requer uma combinação de experiência e sorte, em vez de habilidades matemáticas brutas!

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