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.

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

Pontos-chave

  1. O controlador PID é parte integrante dos sistemas de controlo da temperatura industrial sistemas de controlo da temperatura industrial numa vasta gama de indústrias e aplicações.
  2. O principal objetivo de um controlador PID é comparar um valor de referência com a medição do processo, de modo a minimizar o erro.
  3. As definições corretas 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 o funcionamento de um controlador PID, vejamos um exemplo simples e comum de um circuito de controlo da temperatura de um forno de cerâmica com um controlador de temperatura PID PXF.

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.

diagrama de blocos equivalente
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Esta medida da 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 mitigar este erro. A saída do controlador de temperatura PID controla então o controlador de potência SCR para fornecer a potência óptima ao elemento de aquecimento do forno para corrigir 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 corretas 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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Descubra os controladores de temperatura PXF PID

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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 ou outros 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 ou optar pela tecnologia de controlo de temperatura Fuzzy Logic.

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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 adaptado a aplicações simples e menos exigentes.

No entanto, para um controlo preciso e eficaz da temperatura, particularmente em ambientes industriais ou para processos críticos, os controladores PID: a solução para melhorar os seus processos industriais oferecem 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?

As vantagens dos controladores PID na indústria são numerosas. Na indústria farmacêutica, a regulação da temperatura é essencial, bem como na indústria alimentar (por exemplo, garantir a qualidade da produção em fornos de padaria ou regular a temperatura de fornos de pizza), na indústria automóvel (por exemplo, reduzir o consumo de energia em cabinas de pintura), em laboratórios (por exemplo, garantir a qualidade dos materiais ao testar materiais automóveis), em máquinas especiais como máquinas de embalagem ou melhorar a qualidade na indústria de plásticos com controladores de temperatura, em particular para :

 

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

E muitas outras aplicações com 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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