Sintonia Fina de um Controlador PID

Os processos de tratamento térmico exemplificam a necessidade de um controlador PID. Para garantir uma qualidade consistente de produto, a temperatura no interior de um forno ou fornalha deve ser mantida dentro de limites restritos. Qualquer alteração, como quando um produto é adicionado ou retirado ou quando uma função de rampa é aplicada, deve ser tratada adequadamente. Embora simples no conceito, a matemática subjacente do controlador PID é complexa e alcançar um desempenho ideal implica a seleção de valores de processo específicos para uma variedade de parâmetros de interação.

O processo de encontrar esses valores é referido como "sintonia fina". Quando se faz a sintonia de forma ideal, um controlador de temperatura PID minimiza o desvio do ponto de ajuste e responde às mudanças ou alterações de ponto de ajuste rapidamente, mas com uma taxa de aumento mínima.

Este Relatório Oficial da OMEGA Engineering discute como a fazer a sintonia fina do controlador PID. Embora muitos controladores forneçam recursos de sintonia fina automática, entender a sintonia fina do PID te ajudará a alcançar o desempenho ideal. As seções abordam:

O controlador PID é baseado em retroalimentação. A saída de um dispositivo ou processo, como um aquecedor, é medida e comparada com o alvo ou o ponto de ajuste. Caso uma diferença seja detectada, a correção é calculada e aplicada. A saída é medida novamente e qualquer correção necessária é recalculada.

PID significa proporcional-integral-derivativa. Nem todo controlador usa todas as três dessas funções matemáticas. Muitos processos podem ser tratados em um nível aceitável com apenas os termos proporcional-integral. No entanto, para obter um bom controle e, especialmente, evitar aumentos, é necessário adicionar o controle derivado.

No controle proporcional, o fator de correção é determinado pelo tamanho da diferença entre o ponto de ajuste e o valor medido. O problema disso é que, quando a diferença se aproxima de zero, então também a correção é feita, o resultado do erro nunca vai para zero.

A função integral aborda este tema considerando o valor cumulativo do erro. Quanto maior a diferença de ponto de ajuste para que o valor persista, maior o tamanho do fator de correção calculado. No entanto, quando há um atraso na resposta para a correção, isso leva a um aumento e, possivelmente, à oscilação sobre o ponto de ajuste. Evitar isto é a finalidade da função derivativa. Ela observa a taxa de variação a ser alcançada, progressivamente modificando o fator de correção para diminuir seu efeito, conforme o ponto de ajuste é aproximado.

Cada processo tem características únicas, mesmo quando o equipamento for essencialmente idêntico. O fluxo de ar em torno de fornos variará, a temperatura ambiente alterará a viscosidade e densidade do fluido e a pressão barométrica mudará de hora em hora. As configurações do PID (principalmente o ganho aplicado ao fator de correção, juntamente com o tempo usado nos cálculos integral e derivada, denominados "reset" e "taxa") devem ser selecionados de acordo com estas diferenças locais.

Em termos gerais, há três abordagens para determinar a melhor combinação dessas configurações: sintonia fina manual, heurística de sintonia fina e métodos automatizados.

Com informações suficientes sobre o processo que está sendo controlado, é possível calcular valores ideais de ganho, reset e taxa. Muitas vezes, o processo é muito complexo, mas com algum conhecimento, particularmente sobre a velocidade na qual a correções de erro reage, é possível alcançar um nível rudimentar de sintonia fina.

A sintonia fina manual é feita definindo o tempo de reset a seu valor máximo e a taxa a zero, aumentando o ganho até o circuito oscilar a uma amplitude constante. (Quando a resposta a uma correção de erro ocorrer rapidamente, um ganho maior pode ser usado. Se a resposta for lenta, um ganho relativamente pequeno é mais desejável). Em seguida, defina o ganho como metade desse valor e ajuste o tempo de reset para corrigir para qualquer compensação num período aceitável. Por fim, aumente a taxa até o aumento ser minimizado.

Muitas regras têm evoluído ao longo dos anos para abordar a questão de como ajustar um circuito de PID. Provavelmente a primeira e certamente a mais conhecida, são as regras de Ziegler-Nichols (ZN).

Publicada pela primeira vez em 1942, Ziegler e Nichols descreveram dois métodos de sintonia fina de um circuito PID. Eles funcionam aplicando uma mudança de etapa para o sistema e observando a resposta resultante. O primeiro método envolve medir o atraso ou a demora na resposta e então o tempo necessário para atingir o novo valor de saída. O segundo depende do que estabelece o período de uma oscilação de estado estacionário. Em ambos os métodos, esses valores são, em seguida, registrados em uma tabela para derivar os valores de ganho, redefinir o tempo e a taxa.

As regras de ZN não são isentas de problemas. Em algumas aplicações, elas produzem uma resposta considerada agressiva demais em termos de aumento e oscilação. Outra desvantagem é que pode ser demorada em processos que reagem lentamente. Por estas razões, alguns profissionais de controle preferem outras regras, tais como Tyreus-Luyben ou Rivera, Morari e Skogestad.

A maioria dos controladores de processo vendidos hoje incorporam funções de ajuste automático. Os detalhes operacionais variam entre fabricantes, mas todos seguem regras semelhantes àquelas descritas acima. Essencialmente, o controlador "aprende" como o processo responde a uma perturbação ou mudança de ponto de ajuste e calcula as configurações adequadas do PID. No caso de um controlador de temperatura como os da série CNi8 da OMEGA, quando a "Sintonia Fina Automática" é selecionada, o controlador ativa uma saída. Ao observar o atraso e a taxa com que a alteração é feita, ele calcula as configurações ideias de P, I e D, e a sintonia fina pode ser feita manualmente, se necessária (Observação: este controlador requer que o ponto de ajuste fique, pelo menos, 10°C acima do valor atual de processo para que a sintonia fina automática seja executada).

Os controladores mais recentes e mais sofisticados, tais como os da série PLATINUM de controladores de temperatura e de processo do OMEGA, incorporam a lógica difusa com sua capacidade de sintonia automática. Isso fornece uma maneira de lidar com a imprecisão e a não-linearidade em situações de controle complexos, como as que são frequentemente encontradas em fabricação e processos industriais, além de ajudar na otimização da sintonia fina.

Os fornos e as fornalhas usados no tratamento de calor industrial são necessários para alcançar resultados consistentes, independentemente de como a massa e a umidade do material a ser aquecido pode variar. Isto faz com que esses equipamentos sejam ideais para o controle PID. As bombas utilizadas para a movimentação de fluidos possuem uma aplicação semelhante, na qual a variação nas propriedades dos meios pode alterar as saídas do sistema, a menos que um ciclo de retroalimentação eficaz seja implementado.

Os sistemas de controle de movimento também usam uma forma de controle PID. No entanto, como a resposta é ordens de grandeza mais rápida do que os sistemas descritos acima, eles requerem uma forma de controlador diferente daqueles discutidos aqui.

O controlador PID é usado para gerenciar muitos processos. Os fatores de correção são calculados comparando o valor de saída ao valor de ajuste e aplicando os ganhos que minimizam aumento e oscilação, ao mesmo tempo efetuando a mudança o mais rapidamente possível.

A sintonia fina do PID implica estabelecer valores de ganho apropriados para o processo sendo controlado. Embora isso possa ser feito manualmente ou por meio de heurística de controle, os controladores mais modernos fornecem recursos de sintonia fina automática. No entanto, ainda é importante que os profissionais de controle entendam o que acontece depois que o botão é pressionado.