O que é um controlador PID: Funcionando e suas aplicações

O que é um controlador PID: Funcionando e suas aplicações

Como o próprio nome sugere, este artigo vai dar uma ideia precisa sobre a estrutura e funcionamento do controlador PID. No entanto, entrando em detalhes, vamos obter uma introdução sobre os controladores PID. Os controladores PID são encontrados em uma ampla gama de aplicações para controle de processos industriais. Aproximadamente 95% das operações de circuito fechado do automação industrial setor usar controladores PID. PID significa Proporcional-Integral-Derivativo. Esses três controladores são combinados de forma a produzir um sinal de controle. Como um controlador de feedback, ele fornece a saída de controle nos níveis desejados. Antes que os microprocessadores fossem inventados, o controle PID era implementado pelos componentes eletrônicos analógicos. Mas hoje todos os controladores PID são processados ​​pelos microprocessadores. Controladores lógicos programáveis também tem as instruções integradas do controlador PID. Devido à flexibilidade e confiabilidade dos controladores PID, eles são tradicionalmente usados ​​em aplicações de controle de processo.

O que é um controlador PID?

O termo PID significa derivada integral proporcional e é um tipo de dispositivo usado para controlar diferentes variáveis ​​de processo, como pressão, fluxo, temperatura e velocidade em aplicações industriais. Neste controlador, um dispositivo de realimentação da malha de controle é usado para regular todas as variáveis ​​do processo.


Este tipo de controle é usado para conduzir um sistema na direção de um local objetivo, de outra forma nivelado. Ele está em quase todos os lugares para controle de temperatura e é usado em processos científicos, automação e inúmeros produtos químicos. Neste controlador, o feedback de malha fechada é usado para manter a saída real de um método próximo ao objetivo, caso contrário, a saída no ponto fixo, se possível. Neste artigo, o projeto do controlador PID com modos de controle usados ​​como P, I & D são discutidos.



História

A história do controlador PID é, no ano de 1911, o primeiro controlador PID foi desenvolvido por Elmer Sperry. Posteriormente, foi implementado no ano de 1933 a TIC (Taylor Instrumental Company) um antigo controlador pneumático com regulagem completa. Depois de alguns anos, os engenheiros de controle removeram o erro de estado estacionário que é encontrado nos controladores proporcionais através do reajuste do final para algum valor falso até que o erro não fosse zero.

Esse reajuste incluiu o erro conhecido como controlador proporcional-integral. Depois disso, no ano de 1940, o primeiro controlador PID pneumático foi desenvolvido através de uma ação derivada para reduzir problemas de overshooting.

Em 1942, Ziegler & Nichols introduziram regras de ajuste para descobrir e definir os parâmetros adequados dos controladores PID pelos engenheiros. Por fim, os controladores PID automáticos foram amplamente usados ​​nas indústrias em meados de 1950.


Diagrama de blocos do controlador PID

Um sistema de malha fechada como um controlador PID inclui um sistema de controle de feedback. Este sistema avalia a variável de feedback usando um ponto fixo para gerar um sinal de erro. Com base nisso, ele altera a saída do sistema. Este procedimento continuará até que o erro alcance Zero, caso contrário, o valor da variável de feedback torna-se equivalente a um ponto fixo.

Este controlador oferece bons resultados em comparação com o controlador do tipo ON / OFF. No controlador do tipo ON / OFF, simplesmente duas condições são obtidas para gerenciar o sistema. Assim que o valor do processo for inferior ao ponto fixo, ele será ativado. Da mesma forma, ele será DESLIGADO quando o valor for superior a um valor fixo. A saída não é estável neste tipo de controlador e irá oscilar frequentemente na região do ponto fixo. No entanto, este controlador é mais estável e preciso em comparação com o controlador do tipo ON / OFF.

Funcionamento do controlador PID

Funcionamento do controlador PID

Funcionamento do Controlador PID

Com o uso de um controlador ON-OFF simples de baixo custo, apenas dois estados de controle são possíveis, como totalmente LIGADO ou totalmente DESLIGADO. É usado para uma aplicação de controle limitada em que esses dois estados de controle são suficientes para o objetivo de controle. No entanto, a natureza oscilante deste controle limita seu uso e, portanto, está sendo substituído por controladores PID.

O controlador PID mantém a saída de modo que haja erro zero entre a variável de processo e o ponto de ajuste / saída desejada por operações de malha fechada. O PID usa três comportamentos de controle básicos que são explicados a seguir.

P- Controller

O controlador proporcional ou P fornece uma saída que é proporcional ao erro de corrente e (t). Ele compara o ponto desejado ou definido com o valor real ou valor do processo de feedback. O erro resultante é multiplicado por uma constante proporcional para obter a saída. Se o valor do erro for zero, a saída do controlador será zero.

P-controlador

P-controlador

Este controlador requer polarização ou reinicialização manual quando usado sozinho. Isso ocorre porque ele nunca atinge a condição de estado estacionário. Ele fornece operação estável, mas sempre mantém o erro de estado estacionário. A velocidade da resposta é aumentada quando a constante proporcional Kc aumenta.

Resposta do controlador P

Resposta do controlador P

I-Controller

Devido à limitação do controlador p, onde sempre existe um deslocamento entre a variável do processo e o ponto de ajuste, o controlador I é necessário, que fornece as ações necessárias para eliminar o erro de regime permanente. Ele integra o erro ao longo de um período de tempo até que o valor do erro chegue a zero. Ele mantém o valor para o dispositivo de controle final no qual o erro torna-se zero.

Controlador PI

Controlador PI

O controle integral diminui sua saída quando ocorre um erro negativo. Limita a velocidade de resposta e afeta a estabilidade do sistema. A velocidade da resposta é aumentada diminuindo o ganho integral, Ki.

Resposta do PI Controller

Resposta do PI Controller

Na figura acima, conforme o ganho do controlador I diminui, o erro em regime permanente também continua diminuindo. Na maioria dos casos, o controlador PI é usado principalmente onde a resposta de alta velocidade não é necessária.

Ao usar o controlador PI, a saída do controlador I é limitada a um certo intervalo para superar o vento integral condições em que a saída integral continua aumentando mesmo no estado de erro zero, devido a não linearidades na planta.

D-Controller

O I-controller não tem capacidade de prever o comportamento futuro do erro. Portanto, ele reage normalmente quando o ponto de ajuste é alterado. O controlador D supera esse problema antecipando o comportamento futuro do erro. Sua saída depende da taxa de variação do erro em relação ao tempo, multiplicada pela constante derivada. Ele dá o impulso inicial para a saída, aumentando assim a resposta do sistema.

Controlador PID

Controlador PID

Na resposta de D da figura acima, o controlador é maior, em comparação com o controlador PI, e também o tempo de estabilização da saída é reduzido. Ele melhora a estabilidade do sistema ao compensar o atraso de fase causado pelo controlador-I. Aumentar o ganho derivativo aumenta a velocidade de resposta.

Resposta do controlador PID

Resposta do controlador PID

Por fim, observamos que combinando esses três controladores, podemos obter a resposta desejada para o sistema. Diferentes fabricantes projetam diferentes algoritmos de PID.

Tipos de controlador PID

Os controladores PID são classificados em três tipos, como ON / OFF, proporcional e controlador do tipo padrão. Esses controladores são usados ​​com base no sistema de controle, o usuário pode usar o controlador para regular o método.

Controle ON / OFF

Um método de controle liga-desliga é o tipo mais simples de dispositivo usado para controle de temperatura. A saída do dispositivo pode ser ON / OFF sem nenhum estado central. Este controlador ligará a saída simplesmente quando a temperatura cruzar o ponto fixo. Um controlador de limite é um tipo particular de controlador LIGA / DESLIGA que usa um relé de travamento. Este relé é reinicializado manualmente e usado para desligar um método assim que uma determinada temperatura for atingida.

Controle Proporcional

Este tipo de controlador é projetado para remover a ciclagem que está conectada através do controle ON / OFF. Este controlador PID reduzirá a energia normal fornecida para o aquecedor quando a temperatura atingir o ponto fixo.

Este controlador tem um recurso para controlar o aquecedor de forma que ele não exceda o ponto fixo, entretanto, ele atingirá o ponto fixo para manter uma temperatura estável.
Este ato de proporção pode ser alcançado ligando e desligando a saída por pequenos períodos de tempo. Esta proporção de tempo mudará a relação do tempo LIGADO para o tempo DESLIGADO para controlar a temperatura.

Controlador PID Tipo Padrão

Este tipo de controlador PID mesclará o controle proporcional por meio do controle integral e derivativo para auxiliar automaticamente a unidade a compensar as modificações no sistema. Essas modificações, integrais e derivadas, são expressas em unidades baseadas no tempo.

Esses controladores também são referidos por meio de seus recíprocos, RATE & RESET, respectivamente. Os termos do PID devem ser ajustados separadamente, de outra forma sintonizados em um sistema específico com a tentativa, bem como com o erro. Esses controladores oferecem o controle mais preciso e estável dos 3 tipos de controlador.

Controladores PID em tempo real

Atualmente, existem vários tipos de controladores PID disponíveis no mercado. Esses controladores são usados ​​para requisitos de controle industrial, como pressão, temperatura, nível e fluxo. Uma vez que esses parâmetros são controlados por meio do PID, as opções incluem utilizar um controlador PID separado ou um PLC.
Esses controladores separados são empregados sempre que um, de outra forma, dois loops precisam ser verificados, bem como controlados de outra forma nas condições onde for complexo para o direito de entrada em sistemas maiores.

Esses dispositivos de controle fornecem opções diferentes para controle de loop individual e duplo. Os controladores PID autônomos fornecem várias configurações de ponto fixo para produzir os vários alarmes autônomos.
Esses controladores independentes compreendem principalmente controladores PID da Honeywell, controladores de temperatura da Yokogawa, controladores autotune da OMEGA, Siemens e controladores da ABB.

Os PLCs são usados ​​como controladores PID na maioria das aplicações de controle industrial. O arranjo dos blocos PID pode ser feito dentro de PACs ou PLCs para fornecer opções superiores para um controle PLC exato. Esses controladores são mais inteligentes e poderosos em comparação com controladores separados. Cada PLC inclui o bloco PID na programação do software.

Métodos de ajuste

Antes de iniciar o funcionamento do controlador PID, ele deve ser ajustado para se adequar à dinâmica do processo a ser controlado. Os designers fornecem os valores padrão para os termos P, I e D, e esses valores não poderiam fornecer o desempenho desejado e às vezes leva à instabilidade e desempenho de controle lento. Diferentes tipos de métodos de ajuste são desenvolvidos para ajustar os controladores PID e requerem muita atenção do operador para selecionar os melhores valores de ganhos proporcionais, integrais e derivados. Alguns deles são fornecidos abaixo.

Os controladores PID são usados ​​na maioria das aplicações industriais, mas deve-se conhecer as configurações deste controlador para ajustá-lo corretamente para gerar a saída preferida. Aqui, a sintonia nada mais é do que o procedimento de receber uma resposta ideal do controlador por meio da configuração dos melhores ganhos proporcionais, fatores integrais e derivados.

A saída desejada do controlador PID pode ser obtida ajustando o controlador. Existem diferentes técnicas disponíveis para obter a saída necessária do controlador, como tentativa e erro, Zeigler-Nichols e curva de reação do processo. Os métodos mais usados ​​são tentativa e erro, Zeigler-Nichols, etc.

Método de tentativa e erro: É um método simples de ajuste do controlador PID. Enquanto o sistema ou controlador está funcionando, podemos ajustar o controlador. Neste método, primeiro, temos que definir os valores de Ki e Kd para zero e aumentar o termo proporcional (Kp) até que o sistema atinja o comportamento oscilante. Quando estiver oscilando, ajuste Ki (termo integral) para que as oscilações parem e, finalmente, ajuste D para obter uma resposta rápida.

Técnica da curva de reação do processo: É uma técnica de ajuste de loop aberto. Ele produz uma resposta quando uma entrada de etapa é aplicada ao sistema. Inicialmente, temos que aplicar alguma saída de controle ao sistema manualmente e registrar a curva de resposta.

Depois disso, precisamos calcular a inclinação, o tempo morto, o tempo de subida da curva e, finalmente, substituir esses valores nas equações P, I e D para obter os valores de ganho dos termos PID.

Curva de reação do processo

Curva de reação do processo

Método Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols propôs métodos de malha fechada para ajustar o controlador PID. Esses são o método de ciclo contínuo e o método de oscilação amortecida. Os procedimentos para os dois métodos são iguais, mas o comportamento da oscilação é diferente. Nesse caso, primeiro, temos que definir a constante do controlador p, Kp, para um valor particular, enquanto os valores de Ki e Kd são zero. O ganho proporcional é aumentado até que o sistema oscile em uma amplitude constante.

O ganho no qual o sistema produz oscilações constantes é chamado de ganho final (Ku) e o período de oscilações é chamado de período final (Pc). Uma vez atingido, podemos inserir os valores de P, I e D no controlador PID pela tabela Zeigler-Nichols depende do controlador usado como P, PI ou PID, conforme mostrado abaixo.

Mesa Zeigler-Nichols

Mesa Zeigler-Nichols

Estrutura do controlador PID

O controlador PID consiste em três termos, a saber, controle proporcional, integral e derivativo. A operação combinada desses três controladores fornece uma estratégia de controle para o controle do processo. O controlador PID manipula as variáveis ​​de processo como pressão, velocidade, temperatura, fluxo, etc. Algumas das aplicações usam controladores PID em redes em cascata onde dois ou mais PIDs são usados ​​para obter o controle.

Estrutura do controlador PID

Estrutura do controlador PID

A figura acima mostra a estrutura do controlador PID. Ele consiste em um bloco PID que fornece sua saída para o bloco de processo. Processo / planta consiste em dispositivos de controle final como atuadores, válvulas de controle e outros dispositivos de controle para controlar vários processos da indústria / planta.

Um sinal de feedback da planta de processo é comparado com um ponto de ajuste ou sinal de referência u (t) e o sinal de erro correspondente e (t) é alimentado para o algoritmo PID. De acordo com os cálculos de controle proporcional, integral e derivativo no algoritmo, o controlador produz uma resposta combinada ou saída controlada que é aplicada aos dispositivos de controle da planta.

Todos os aplicativos de controle não precisam dos três elementos de controle. Combinações como controles PI e PD são frequentemente usadas em aplicações práticas.

Formulários

As aplicações do controlador PID incluem o seguinte.

A melhor aplicação do controlador PID é o controle de temperatura, onde o controlador usa uma entrada de um sensor de temperatura e sua saída pode ser aliada a um elemento de controle como um ventilador ou aquecedor. Geralmente, este controlador é simplesmente um elemento em um sistema de controle de temperatura. Todo o sistema deve ser examinado e considerado ao escolher o controlador certo.

Controle de temperatura do forno

Geralmente, os fornos são usados ​​para incluir aquecimento e também retêm uma grande quantidade de matéria-prima em altas temperaturas. É comum que o material ocupado inclua uma grande massa. Consequentemente, é necessária uma grande quantidade de inércia e a temperatura do material não se modifica rapidamente, mesmo quando muito calor é aplicado. Este recurso resulta em um sinal de PV moderadamente estável e permite que o período Derivativo corrija a falha de maneira eficiente sem mudanças extremas no FCE ou no CO.

MPPT Charge Controller

A característica V-I de uma célula fotovoltaica depende principalmente da faixa de temperatura, bem como da irradiância. Com base nas condições climáticas, a corrente e a tensão de operação mudarão constantemente. Portanto, é extremamente significativo acompanhar o PowerPoint mais elevado de um sistema fotovoltaico eficiente. O controlador PID é usado para localizar MPPT, fornecendo pontos fixos de tensão e corrente ao controlador PID. Uma vez que a condição climática é alterada, o rastreador mantém a corrente e a voltagem estáveis.

O conversor de eletrônica de potência

Sabemos que o conversor é uma aplicação da eletrônica de potência, portanto, um controlador PID é usado principalmente em conversores. Sempre que um conversor é aliado por meio de um sistema com base na mudança dentro da carga, a saída do conversor será alterada. Por exemplo, um inversor é aliado à carga, a enorme corrente é fornecida quando as cargas são aumentadas. Assim, o parâmetro de tensão e também a corrente não são estáveis, mas irão se alterar de acordo com a necessidade.

Neste estado, este controlador irá gerar sinais PWM para ativar os IGBTs do inversor. Com base na mudança na carga, o sinal de resposta é fornecido ao controlador PID para que ele produza n erro. Esses sinais são gerados com base no sinal de falha. Neste estado, podemos obter entrada e saída alteráveis ​​por meio de um inversor semelhante.

Aplicação do controlador PID: Controle de malha fechada para um motor DC sem escova

Interface do controlador PID

O projeto e a interface do controlador PID podem ser feitos usando o microcontrolador Arduino. No laboratório, o controlador PID baseado em Arduino é projetado usando a placa Arduino UNO, componentes eletrônicos, cooler termoelétrico, sendo que as linguagens de programação de software utilizadas neste sistema são C ou C ++. Este sistema é usado para controlar a temperatura dentro do laboratório.

Os parâmetros do PID para um controlador específico são encontrados fisicamente. A função de vários parâmetros PID pode ser implementada por meio do contraste subsequente entre diferentes formas de controladores.
Este sistema de interface pode calcular eficientemente a temperatura por meio de um erro de ± 0,6 ℃, enquanto uma temperatura constante é regulada simplesmente por uma pequena diferença do valor preferido. Os conceitos usados ​​neste sistema fornecerão técnicas baratas e exatas para gerenciar parâmetros físicos em uma faixa preferencial dentro do laboratório.

Assim, este artigo discute uma visão geral do controlador PID que inclui histórico, diagrama de blocos, estrutura, tipos, trabalho, métodos de ajuste, interface, vantagens e aplicativos. Esperamos ter sido capazes de fornecer conhecimentos básicos, mas precisos sobre os controladores PID. Aqui está uma pergunta simples para todos vocês. Dentre os diferentes métodos de ajuste, qual método é preferencialmente utilizado para obter um funcionamento ideal do controlador PID e por quê?

Solicita-se que você forneça suas respostas na seção de comentários abaixo.

Créditos fotográficos

Diagrama de blocos do controlador PID por wikimedia
Estrutura do controlador PID, controlador P, P - resposta do controlador e controlador PID por blog.opticontrols
P - resposta do controlador por controls.engin.umich
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Resposta do controlador PID por wikimedia
Mesa Zeigler-Nichols por controls.engin