Dominando Controladores PID: Equilibrando Ações Proporcional, Integral e Derivativa

A Indústria de Controle de Processo é fortemente dominada por controladores proporcional-integral-derivativo (PID), no entanto, mesmo esses componentes maravilhosos têm suas próprias limitações. O comportamento de laços PID é difícil de entender, algo que piora sempre que surge uma falha e a solução de problemas é necessária. No entanto, técnicos e engenheiros se esforçam para alcançar coerência entre os três blocos de construção do controlador, ou seja, ações proporcional, integral e derivativa.

Quando os controladores foram introduzidos pela primeira vez, eram apenas proporcionais, e embora isso os tornasse fáceis de entender, logo se tornaram incapazes de lidar com erros. Esses controladores tendiam a desistir cedo demais sempre que erros precisavam ser eliminados entre a variável de processo e o ponto de ajuste. Isso levou à adição de ação integral no "controlador proporcional" anterior.

Ação Integral

Operadores logo descobriram que poderiam compensar o erro residual resultante da ação proporcional decrescente através da adição manual de viés ao esforço de controle, suficiente para superar a lacuna minúscula entre a variável de processo e o ponto de ajuste. Isso veio a ser conhecido como "resetar" o laço.

No início, os operadores eram responsáveis por realizar este "reset", porém, logo o reset automático foi introduzido, eliminando o atraso que surgia de intervenções manuais. Hoje, este reset automático é denominado ação integral, enquanto o ganho que determina a magnitude da resposta necessária às vezes é chamado de "taxa de reset". Enquanto a variável de processo e o ponto de ajuste diferirem, uma alta taxa de reset tende a empurrar o controlador a gerar um esforço de controle agressivo. Mas aqui está a coisa: a ação integral continua a crescer enquanto o erro permanece, ao contrário da ação proporcional que tende a amortecer conforme o erro minimiza.

Isso pode parecer favorável, mas na verdade tem seus próprios problemas. Por exemplo, se o processo sendo controlado for lento, o erro levará um tempo para desaparecer enquanto o controlador empregará ações integrais agressivas para eliminá-lo. Se o operador definir a taxa de reset muito alta, o controlador supercompensará o erro, resultando em um erro ainda maior na direção negativa, levando a ciclos de caça de vai-e-vem até que o erro seja completamente eliminado.

Acúmulo de Reset (Reset Windup)

A ação integral é mais adequada para aplicações onde um processo tem um atuador muito pequeno para produzir um grande esforço de controle. Por exemplo, se uma válvula é muito pequena para gerar uma taxa de fluxo 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 algum limite de válvula.

Esta saturação finalmente leva a erros positivos entre o ponto de ajuste e a variável de processo. A ação integral continua a ser mais agressiva, mas o atuador cria gargalo e impede a retificação do erro. Durante o tempo em que o atuador ficará preso em 100%, o erro total integrado terá alcançado um valor enorme. Isso forçará o controlador a um estado não responsivo, e impedirá o operador de corrigir o erro reduzindo o nível do ponto de ajuste para uma faixa alcançável.

Várias soluções foram projetadas e implementadas para proteger o controlador contra acúmulo de reset, a maioria envolvendo o desligamento do integrador.

Ação Derivativa

A ação derivativa de um controlador PID atua como uma bênção mista, diminuindo o esforço de controle em proporção à taxa de mudança do erro para que a descida da variável de processo ao ponto de ajuste possa ser desacelerada. Isso reduz as chances de ultrapassagem e caça. Mas, se a ação derivativa entrar de forma muito agressiva, ela pode causar caça por si só. Este efeito é comumente observado em processos que respondem rapidamente aos esforços do controlador, ex: 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 à ação, mesmo antes que as partes proporcional ou integral 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 necessário para manter a variável de processo estável.

Embora tal 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, a parede do forno.

Correções

Controladores PID modernos visam resolver todos esses problemas. Alguns recursos comuns de controladores PID de hoje incluem:

• Proteção contra acúmulo de reset
• Calculadora de Ação Derivativa
• Filtragem de Ruído

Uma técnica particular que melhorou muito a precisão do controlador PID é o ajuste de malha. Isso em si é a arte de selecionar valores apropriados para os ganhos proporcional, integral e derivativo, alcançando assim uma resposta rápida a mudanças na variável de processo. A técnica foi suplementada por numerosas metodologias, bem como apoiada por uma infinidade de pacotes de software para garantir máxima estabilidade dentro do sistema.

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