Controlo PID para principiantes: tudo o que precisa de saber

O PID Control for Dummies foi concebido para aqueles que procuram uma melhor compreensão do controlo PID sem ficarem atolados em conceitos técnicos complexos.

Quer seja um técnico ou um estudante na área da instrumentação, este artigo pretende ser um recurso que o guiará para o conhecimento do controlador pid.

Ficará a conhecer as origens do controlo, como funciona o PID, a importância do controlo PID em diferentes indústrias e dicas para otimizar o seu processo.

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Pontos-chave

  1. O controlador PID é uma parte integrante do sistema de controlo numa vasta gama de indústrias e aplicações.
  2. O principal objetivo de um controlador PID é comparar um valor de referência com a medição durante o processo, de modo a minimizar o erro.
  3. As definições correctas para os seus controladores de temperatura PID podem ter um grande impacto no desempenho do seu processo.
  4. Uma explicação dos termos PID, ligar/desligar, banda proporcional, derivada, integral, loop, ponto de regulação e muitos outros conceitos relacionados permitir-lhe-á aproveitar toda a potência do seu sistema PID.
estabilidade e desempenho do seu sistema

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História do controlador PID

É difícil falar de regulação PID sem abordar a sua história. No início do século XX, Nicolas Minorsky observou que os navios não conseguiam manter um rumo constante, apesar dos esforços contínuos do pessoal de pilotagem.

O Sr. Minorsky desenvolveu então uma solução para esta necessidade: a utilização de um controlador automático que, explorando as diferenças entre a direção desejada e a direção real, podia ajustar o leme para garantir uma navegação mais suave.

Esta foi a base para o nascimento do controlo PID, e o seu efeito no controlo dos processos industriais tem sido importante.

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circuito de controlo para forno de cerâmica pt

O princípio de funcionamento

Para compreender facilmente como funciona um controlador PID, vejamos um exemplo simples e comum de um circuito de controlo - um forno de cerâmica.

A temperatura no interior do forno deve ser mantida num ponto de regulação constante, por exemplo 800°C.

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Em vez de um simples sistema de controlo on/off (o forno é ligado ou desligado), o controlador de temperatura PID manterá esta temperatura constante para evitar qualquer desvio que possa deteriorar a qualidade do produto no interior do forno.

sistema de circuito aberto

Eis como funciona.

O início do processo de controlo envolve um sensor de temperatura de termopar que monitoriza a temperatura no interior da câmara de cozimento.

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Esta medição de temperatura é comparada com o ponto de regulação da temperatura (800°C neste exemplo).

sistema de circuito fechado pt

Adiferença entre estes dois valores, conhecida como o erro, é enviada para o controlador PID, que formula uma ação de correção na saída para reduzir o erro.

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Esta correção é o produto de três funções ou quantidades: os termos Proporcional (P), Integral (I) e Derivativo (D) formam o acrónimo PID (Proporcional Integral Derivativo).

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Proporcional (P)

A ação da banda proporcional é equivalente a multiplicar o erro por um coeficiente proporcional (Kp). Esta ação ajusta a saída do controlador de modo a que seja proporcional ao erro. Assim, se o erro ou a perturbação for grande, a correção também será grande, e vice-versa.

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Integral (I)

A ação integral visa eliminar o erro persistente, acumulando erros passados e integrando-os ao longo do tempo. Esta ação aproxima progressivamente o sistema do ponto de referência, ajustando a saída em função do erro integrado. O coeficiente integral (Ki) determina a influência deste componente.

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Derivado (D)

A ação derivada diz respeito à taxa de variação do erro. Esta ação preditiva permite que o sistema reaja a eventos futuros com base nas tendências observadas. O coeficiente derivado (Kd) ajusta a influência desta ação para um melhor controlo.

regulação do regulador pid

Definição de um controlador PID

A afinação de um controlador Proporcional Integral Derivativo pode parecer assustadora, mas é essencial para garantir que o processo funciona corretamente. Cada um dos parâmetros de afinação, P, I e D, afecta a forma como o controlador reage às alterações no valor do processo.

As definições correctas podem melhorar significativamente a estabilidade e o desempenho do seu sistema.

No entanto, definições mal ajustadas podem, pelo contrário, levar a oscilações, sobreexcitações e sub-reacções, deteriorando a qualidade do controlo do processo.

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Método Ziegler-Nichols

O método Ziegler-Nichols é uma abordagem bem conhecida para definir os parâmetros de um controlador PID.

Este método consiste em fazer oscilar o sistema ou o processo, ajustando o ganho proporcional (Kp) até atingir o limite de estabilidade.

O período de oscilação e o ganho crítico são então utilizados para determinar os coeficientes proporcionais (Kp), integrais (Ki) e derivativos (Kd) óptimos.

Embora este método seja conveniente para a afinação inicial dos parâmetros PID, é importante notar que a otimização do sistema de controlo pode exigir mais ajustes. Esses ajustes dependerão da resposta desejada e das restrições específicas do processo.

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Limites do controlo PID

Se o seu sistema tiver uma instabilidade inerente ououtros problemas prevalecentes, como atrasos, perturbações, pressões externas, etc., então um controlador P, I, D pode apenas atenuá-los, não eliminá-los completamente. Por vezes, é útil redesenhar o processo.

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FAQ sobre controlo PID

O que é um circuito fechado no controlo PID?

Num circuito fechado, a informação sobre o estado atual do processo é constantemente enviada para o controlador PID.

Utiliza esta informação para fazer uma correção à sua saída, mantendo assim o processo o mais próximo possível do ponto de regulação.

Este mecanismo melhora consideravelmente a precisão com que as variáveis do processo são geridas, permitindo um controlo mais rigoroso e uma maior estabilidade.

Além disso, os sistemas em circuito fechado contribuem eficazmente para contrariar as perturbações externas, minimizando as flutuações indesejáveis.

O que significa o termo "tudo ou nada" no regulamento?

Ligado/Desligado refere-se a um modo de controlo em que o sistema está 100% ligado ou completamente desligado. Não existem níveis de funcionamento intermédios.

Quais são as desvantagens do controlo On/Off em comparação com o controlo PID?

  1. Falta de precisão: Ao contrário do controlo PID, que ajusta a potência com precisão para atingir e manter a temperatura desejada, o controlo On/Off funciona apenas em estados extremos (100% ligado ou desligado). Este método tende a gerar uma ultrapassagem do objetivo de temperatura antes de estabilizar, criando flutuações em vez da estabilidade obtida com o controlo PID.
  2. Oscilações de temperatura: O funcionamento On/Off conduz a maiores oscilações de temperatura em torno do ponto de regulação. Esta flutuação pode ser prejudicial para processos que exijam um controlo fino e constante da temperatura.
  3. Desgaste do equipamento: O frequente ligar e desligar do equipamento com controlo On/Off coloca uma maior tensão nos componentes mecânicos e eléctricos, reduzindo potencialmente a sua vida útil em comparação com o funcionamento mais suave permitido pelo controlo PID.
  4. Consumo de energia: Embora o controlo On/Off possa parecer mais eficiente em termos energéticos devido aos períodos de inatividade, os ciclos on/off frequentes podem, na realidade, conduzir a um maior consumo de energia a longo prazo, particularmente nos casos em que o sistema consome muita energia no arranque. O controlo PID, graças ao seu ajuste preciso, tende a otimizar o consumo de energia.
  5. Resposta a perturbações : O controlo On/Off pode ser menos eficaz face a perturbações súbitas do processo (por exemplo, a abertura de uma porta numa sala com ar condicionado), uma vez que só pode responder ligando ou desligando, enquanto o controlo PID pode ajustar proporcionalmente a energia aplicada para contrariar rapidamente a perturbação.

 

Em suma, o controlo On/Off pode ser adequado para aplicações simples e menos exigentes. No entanto, para um controlo preciso e eficaz da temperatura, particularmente em ambientes industriais ou para processos críticos, o controlo PID oferece vantagens significativas em termos de estabilidade, eficiência energética e proteção do equipamento.

O que é a banda proporcional no controlo PID?

A banda proporcional é a gama de valores dentro da qual o controlador passa do estado desligado para o estado de potência máxima (e vice-versa) num controlo proporcional. É a parte do controlo PID que reage de acordo com a diferença entre o valor desejado e o valor atual. Quanto maior for a diferença, maior será a correção efectuada.

O que é a banda integral no controlo PID?

A banda integral é a parte do controlo PID que se acumula ao longo do tempo. Se o desvio persistir, por mais pequeno que seja, esta correção continuará a aumentar até que o desvio seja corrigido.

O que é a derivada no controlo PID?

Aação derivativa no controlo PID é a parte que reage à velocidade de variação do desvio. Tenta prever o futuro deste desvio e fazer uma correção preventiva para minimizar as variações demasiado rápidas.

Onde é que os controladores PID podem ser utilizados?

Os controladores PID são amplamente utilizados em várias indústrias, tais como aindústria farmacêutica, a indústria alimentar (por exemplo, fornos de padaria ou fornos de pizza), a indústria automóvel (por exemplo, cabinas de pintura), em laboratórios (por exemplo, testes de materiais automóveis), em máquinas especiais, tais como máquinas de embalagem ou processamento de plásticos, em particular para :

 

  • Controlo da temperatura
  • Controlo do fluxo de fluido e da velocidade
  • Monitorização do nível
  • Regulação da pressão

E muitas outras aplicações e sistemas de controlo de temperatura

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Na Fuji Electric, os nossos especialistas em controlo de temperatura industrial estão prontos para o ajudar a selecionar os controladores PID ideais para os seus sistemas. Ajudá-lo-emos durante a colocação em funcionamento dos controladores para afinar as definições dos parâmetros.

Quer seja um profissional experiente ou um novato na área, a nossa equipa está aqui para transformar o controlo PID num ativo controlável e de elevado desempenho para a sua empresa.

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