Dominando Controladores de Temperatura PID: Guia Passo a Passo para Design e Implementação

Controlador PID ou proporcional integral derivativo (PID) encontra uso no controle de pressão, vazão, outras variáveis de processo e, mais ainda, temperatura. O propósito de um controlador proporcional integral derivativo é compelir o feedback a corresponder a um certo ponto de ajuste (setpoint) baseado numa configuração de temperatura. Controladores de temperatura PID encontram uso pesado em sistemas que reagem rápido a mudanças de energia adicionadas ao processo. Tal é altamente útil em sistemas com mudanças de carga constantes e consiste em massa ligeiramente pequena.

Em resumo, um controlador PID é um dispositivo que olha para o setpoint e subsequentemente converte temperaturas para o setpoint desejado. Então, como configura o seu controlador de temperatura PID? Quais são as ferramentas, passos e precauções que precisa de seguir? O artigo tenta discutir quase tudo sobre o controlador de temperatura PID, desde configuração a ferramentas necessárias aos passos a seguir, para mencionar alguns.

Princípio de Funcionamento do Controlador de Temperatura PID

Para entender claramente o princípio de funcionamento por trás de um controlador de temperatura PID, pode precisar de olhar cuidadosamente para o diagrama abaixo.

Então, o que está a acontecer aqui? O Setpoint (SP) é o valor desejado que todo o processo tem de produzir. Assuma que o sistema de controle de temperatura na sua casa tem um setpoint de 22°C;

Portanto, se quiser que todo o processo crie uma temperatura estável próxima a 22°C ou algo muito próximo disso. Este é o ponto onde o controlador de temperatura PID entra. O controlador PID leva em conta o setpoint e depois compara com o valor real da Variável de Processo (PV).

Lá em casa, um controlador PID olha então para o valor atual da temperatura da sala e vê o quão longe ou perto está de 22°C. Caso o setpoint (SP) e a variável de processo (PV) sejam iguais, então o seu controlador não tem de fazer nada como tal. Mas se houver disparidade entre os dois valores, significa que há um erro que requer correção.

Lá em casa, o erro que requer correção pode ser arrefecimento ou aquecimento, e isso depende se o valor PV é maior ou menor que o SP. Se a temperatura está baixa, o sensor apanhará a temperatura mais baixa e alimentá-la-á ao controlador. O controlador vê então o "erro de temperatura" e tenta corrigi-lo ou convertê-lo para a gama desejada. Se uma perturbação (aumento/diminuição de temperatura) atingir o sistema novamente, o controlador entra em ação mais uma vez. É tão simples quanto isso.

Configurando o Seu PID: Ferramentas e Materiais Necessários

Está a planear configurar um controlador de temperatura PID por si mesmo? Se sim, então há algumas ferramentas e materiais que deve ter. Ao usar ferramentas e materiais errados ou de baixa qualidade, fique tranquilo de um controlador de temperatura PID cuja funcionalidade será desagradável. As ferramentas e tipos de equipamento certos são necessários para criar um controlador de temperatura PID que converte ou define temperaturas para o setpoint desejado.

O seguinte compõe as ferramentas que necessitará quando quiser configurar um controlador de temperatura PID por conta própria:

• Ferro de soldar, fluxo, pinça e fio de solda
• Máquina de fresar (milling machine)
• Cortador a laser
• Cabo USB serial FTDI TTL-232
• Multímetro (voltímetro e ohmímetro)

O primeiro passo para ter o seu controlador de temperatura PID é garantir que todas as ferramentas acima estão na sua posse.

· Materiais

Além das ferramentas, o seguinte compõe a combinação de materiais que também necessitará:

• Placa de cobre baquelite de face única (é bom usar 60*35 mm)
• Microcontrolador Attiny 45
• Relé de estado sólido (solid-state relay)
• Diodos 1N4004
• Verniz de unhas (Nail polish)
• Capacitores (preferencialmente SMT 0603 livro Adafruit)
• Transformador ac-dc (preferencialmente 230V-9V)
• Transistor
• Amplificador operacional
• Regulador de tensão

Programar o Controlador

Programar um controlador de temperatura PID com o único propósito de garantir que atinge o seu papel não é um processo complicado como tal. Tudo o que precisa é o software certo, e está pronto. Há muitos pacotes de software em que se pode confiar por aí, embora o PID Tuner pareça ser o melhor.

Há algumas razões para tal. Por exemplo, o software PID Tuner simplifica o processo de ajuste de vários loops individuais reduzindo oscilações e aumentando largura de banda.

O software também permite atingir os seus requisitos de design e desempenho desejados sendo gratuito. PID Tuner é robusto, simples e oferece excelente desempenho numa vasta gama de condições operacionais.

Além do software PID Tuner, também se pode usar o software IJ-6. Este tipo de software permite monitoramento e controle seguro de uma vasta gama de temperatura(s) com muita facilidade.

Como Ajustar ao Valor PID Necessário

Afinar (tuning) é o processo de alterar temperaturas para a quantidade necessária(s). Infelizmente, afinar um controlador de temperatura PID parece um pouco complicado sabendo onde começar e que direção seguir. Existem três principais métodos de afinação de controlador de temperatura PID. Incluem afinação manual, Auto-Tune e Afinação Heurística, como explicado abaixo:

· Afinação Manual (Manual Tuning)

Afinação manual é alcançável definindo o tempo de reset para o valor máximo, com a taxa a permanecer em zero. Após isso, o ganho precisa de aumentar ao nível em que o loop começa a oscilar com amplitude estável. Corrija qualquer offset, o benefício do PID deve ser definido para metade do valor de reset enquanto ajusta o tempo.

· Auto-Tune

Aqui, o controlador PID tipicamente "aprende" como responder a quaisquer mudanças ou perturbações em configurações PID precisas. Quando se escolhe a função "Auto-Tune", o controlador dispara imediatamente uma saída. De importância notar é que o controlador requer um setpoint de 10 graus ou acima para que o auto-tuning seja bem-sucedido.

· Afinação Heurística (Tuning Heuristics)

Também conhecido como método Ziegler-Nichols, afinação heurística é outro método de chegar a afinar um controlador PID. Para alcançar isso, tem de definir um valor integral I e ganhos derivativos D a zero. O ganho proporcional P é então aumentado lentamente até atingir o que é conhecido como ganho final K_u.

Algumas Coisas a Que Precisa Prestar Atenção

Quando se trata de controladores de temperatura PID, há algumas coisas que precisa de prestar atenção próxima em todos os momentos. Entre outras coisas, segurança e precaução importam mais. Precisa de garantir que considera medidas preventivas específicas para não pôr a sua vida ou os próximos a si em perigo. Primeiro, se não sabe como instalar o seu recém-adquirido controlador de temperatura PID, está melhor servido procurando serviços de um profissional.

Além disso, é essencial garantir que conecta o seu controlador de temperatura sob a diretiva do manual. Também, garanta que poluição condutiva é excluída do local onde o controlador deve ficar. Por último, certifique-se que há uma envolvente completa das partes vitais do controlador.

Campos Onde Controladores de Temperatura PID Podem Ser Aplicados

Controladores de temperatura PID encontram uso em várias aplicações que valem a pena notar. Embora o controle PID lute com ruído, no entanto, são necessários em muitos campos. Milhões de lares, veículos e entidades empresariais em todo o mundo dependem de controladores de temperatura PID. No entanto, encontram uso pesado no setor industrial.

Aqui estão algumas das aplicações industriais cotidianas de controladores de temperatura proporcionais integrais derivativos (PID).

• Controle de Temperatura de Forno (Furnace Temperature Control) – a maioria dos fornos mantém grandes quantidades de matérias-primas sob altas temperaturas. Independentemente do calor, a temperatura do material não muda rapidamente. No entanto, um termo derivativo corrige o erro usando um sinal PV estável.

• Controle de Temperatura de Lote (Batch Temperature Control) – aqui, a operação está sob um sistema fechado onde temperaturas podem subir a níveis indesejados. Um controle de temperatura PID é necessário para manter tudo sob controle.

• Controle de pH de Neutralização (Neutralization pH Control) – muitas indústrias veem pH como um desafio considerável. Por exemplo, tendem a ser não-lineares às vezes, um aspeto que muitas empresas lutam. É aqui que um controlador de temperatura PID entra. Um controlador de temperatura PID neutraliza eficientemente o pH para o trazer sob controle.

Resumo

Como o nome indica, um controlador de temperatura PID é um dispositivo usado no controle de temperatura. Consiste num sensor que recebe entrada e, na outra extremidade, uma saída conectada a um elemento/dispositivo como aquecedor ou ventoinha. Controladores de temperatura PID são usados em lares, veículos e escritórios. No entanto, encontram uso pesado em aplicações de controle industrial. Afinação é necessária para atingir os níveis desejados de temperatura. Felizmente há mais do que uma única forma de afinar estes dispositivos que os utilizadores podem usar. Melhor ainda, há um par de plataformas de software em que se pode confiar para programar o controlador de temperatura PID para funcionar como desejado. Ao configurar o seu controlador de temperatura PID, é vital garantir que medidas preventivas específicas são consideradas. Com tais medidas preventivas, estará a garantir a sua segurança e a longevidade do seu controlador de temperatura.