Controle Digital - CDG

1. Controle Digital - CDG Prof. Cesar da Costa 5ª Aula – Controle PID

2. Modos de Controle

3. Controle proporcional + integral + derivativo • Resulta da associação dos três tipos de controle. Combinam-se dessa maneira as vantagens de cada um dos modos de controle. • A técnica do controle PID consiste em calcular um valor de atuação sobre o processo a partir das informações do valor desejado e do atual da variável do processo. • Este valor de atuação sobre o processo é transformado em um sinal adequado ao atuador (válvula, motor, relé), e deve garantir um controle estável e preciso.

4. Modos de Controle Controle proporcional + integral + derivativo

5. Modos de Controle Controle proporcional + integral + derivativo

6. Modos de Controle Controle proporcional + integral + derivativo

7. Modo de Controle PID

8. Modo de Controle PID • A equação mais usual do PID é apresentada a seguir: • Onde Kp, Ki e Kd são os ganhos das parcelas P, I e D, e definem a intensidade de cada ação.

9. Modo de Controle PID • Controladores PID de diferentes fabricantes implementam a equação apresentada de diferentes maneiras. • É usual a adoção do conceito de “Banda Proporcional” em substituição a Kp, “Tempo derivativo” em substituição a Kd e “Taxa integral ou Reset” em substituição a Ki, ficando a equação da saída do controlador da seguinte forma:

10. Modo de Controle PID • Onde BP, TI e TD são “Banda Proporcional”, “Taxa Integral” e “Tempo Derivativo” respectivamente.

11. Sintonia de um Controle PID • A bibliografia de Controle de processos apresenta diversas técnicas para sintonia, tanto operando o processo em manual (malha aberta), quanto em automático (malha fechada). • A grande maioria dos controladores PID industriais incorporam recursos de “Auto Tune”, em que o controlador aplica um ensaio ao processo e obtém o conjunto de parâmetros do controle PID (BP, TI e TD) automaticamente.

12. Sintonia de um Controle PID • Para a maior parte dos processos, este cálculo é adequado, mas em muitos casos, é necessária a correção manual para atingir um desempenho de controle mais satisfatório (menos oscilações, estabilização mais rápida, etc). • Para efetuar manualmente a correção é fundamental a compreensão dos princípios apresentados. A seguir são apresentadas algumas diretrizes para otimização manual do desempenho de um controlador PID.

13. Corrigindo Manualmente um Controle PID • Em muitos casos é necessário ajuste da sintonia, após a conclusão do “Auto Tune”. • Este ajuste é manual e deve ser feito por tentativa e erro, aplicando uma alteração nos parâmetros PID e verificando o desempenho do processo, até que o desempenho desejado seja obtido. • Para isto é necessário conhecimento do efeito de cada parâmetro do PID sobre o desempenho do controle, além de experiência em diferentes processos.

14. Corrigindo Manualmente um Controle PID • As definições de um bom desempenho de controle são também bastante variadas, e muitas vezes o usuário espera de seu sistema uma resposta que ele não tem capacidade de atingir, independente do controlador utilizado. • É comum o operador reclamar que a temperatura, por exemplo, do forno demora muito a subir, mas o controlador está com a MV (variável manipulada) sempre a 100%, ou seja, não tem mais o que fazer para acelerar. • Também as vezes o operador quer velocidade mas não quer “overshot”, o que muitas vezes é conflitante.

15. Corrigindo Manualmente um Controle PID • Na avaliação do desempenho do controlador, é importante analisar o comportamento da PV (variável do processo) e a MV (variável manipulada), e verificar se o controlador está atuando sobre a MV nos momentos adequados. • Coloque-se no lugar do controlador e imagine o que você faria com a MV, e compare com a ação tomada pelo controlador. Á medida que se adquire experiência este tipo de julgamento passa a ser bastante eficiente.

16. Corrigindo Manualmente um Controle PID

17. A Tabela 1 resume o efeito de cada um dos parâmetros sobre o desempenho do processo. BP TI TD

18. A Tabela 2 apresenta sugestões de alteração nos parâmetros PID, baseadas no comportamento do processo, visando melhorias .

19. Exercícios de Aplicação: 1) Observando o sistema de controle abaixo. Supondo-se que a faixa de medição do PT seja de 0 a 10 Kgf /cm² e que a pressão no reservatório seja 5 kgf /cm², a saída do controlador estará em 50%. Num dado momento, a pressão do reservatório aumenta para 6 kgf /cm² (60% da faixa), o que aconteceria com a saída do controlador? Sabe-se que o controlador possui banda proporcional igual a 125%. Determinar também a ação do controlador. Obs: A válvula é do tipo “Ar para fechar” (N/O ou AFA)_ Controle Proporcional. N/O - AFA Tipo Ar p/ fechar 5 Kgf/cm² 0 – 10 Kgf/cm² Saída do controlador Sc = 50%

20. Solução: Ação proporcional: (Ação direta) (Ação reversa) Onde: Sc = Saída do controlador; G = Ganho (constante de proporcionalidade entre o erro e o sinal de saída); E = Erro (diferença entre o set point e a variável de processo); B = Bias (polarização do controlador – sinal de saída para um erro nulo).

21. Dados: • Válvula do tipo “Ar para fechar” (N/O ou AFA) • A ação é proporcional reversa, pois como a válvula é do tipo “Ar para Fechar”, ou seja, N/O . É preciso aumentar Sc para fechar a válvula.

22. Solução: Banda Proporcional = 125% = 1,25 Ganho: Ação proporcional reversa: (abertura direta para que a válvula feche)

23. Exercício 2: Supondo o controle mostrado na figura a seguir, considere: TIC com set point = 40% Range do TT = 0 a 100° BP = 80% Válvula = Ar para abrir (N/C) Taxa Reset = 1, 2 RPM (Repetição por minuto) Ação = ? Num dado instante, a temperatura de saída do produto está em 40°C e a saída do TIC = 50%. Nesse momento o set point do TIC é alterado para 50%. Qual o valor da saída do TIC, após decorrido 1 minuto? Considerar que durante este tempo não ocorrerá nenhuma variação de temperatura do produto.

24. Exercício 2: Figura:

25. Solução: Ação proporcional e Integral: Onde: Sc = Saída do controlador; G1 = Ganho proporcional; G2 = Ganho integral; TI = Tempo integral (minutos) E x dt = Erro vezes o tempo; B = Bias (constante).

26. Dados:

27. Solução : Ação = P + I (Proporcional e Integral) Obs: O controle proporcional é direto, pois a válvula é do tipo “Ar para Abrir” (N/C). É preciso aumentar Sc para abrir a válvula.

28. Solução :