Um guia para reduzir o overshoot nos controles PID

I. Introdução ao Overshoot e Controle PID

Processos industriais modernos, aplicações tecnológicas e sistemas de automação são baseados em sistemas de controle e automação. Esses sistemas permitem o gerenciamento e a regulação com precisão de sistemas dinâmicos. Os sistemas podem variar de microeletrônica em produtos de consumo a operações massivas em fábricas ou infraestrutura crítica. No centro de muitas estratégias de controle bem-sucedidas está o controlador proporcional-integral-derivativo, comumente conhecido como PID. O controlador PID ' O objetivo principal é medir a variável de processo, ou PV (a medição atual), e compará-la com um valor de ponto de ajuste (SP), o alvo desejado. Em seguida, ele ajusta a entrada do sistema para reduzir a diferença (conhecida como erro). EmboraControladores PIDpodem ser altamente eficientes para atingir esse objetivo, nem sempre são ideais. A ultrapassagem é um problema comum. Quando a variável de processo excede seu ponto de ajuste desejado por um curto período de tempo antes de se estabelecer, ela é chamada de overshoot. A ultrapassagem pode ser indesejável, mesmo que às vezes seja inevitável. Isso pode causar instabilidade e danos mecânicos. Também retarda o processo. Compreender as causas do overshoot e as técnicas que podem ser usadas para minimizá-lo são cruciais para obter o desempenho ideal para aplicativos PID. Este guia explorará as causas do PID Overshoot e fornecerá uma variedade de estratégias e métodos para reduzir esse fenômeno indesejável.

II. Por que ocorre overshoot no controle PID?

A interação dos ganhos Kp, Ki e Kd (controlador;#39; s ganhos) determina o comportamento do sistema controlado por PID. O algoritmo PID é composto de muitos termos, cada um com sua própria contribuição. A afinação inadequada pode levar a ultrapassagem e instabilidade.

As respostas PID são construídas no termo proporcional (P). A saída é proporcional ao erro atual. Se o erro for alto, faz sentido que os termos proporcionais levem o sistema a fazer correções mais rapidamente. Ganhos proporcionais mais altos (Kp), que resultam em respostas mais fortes, podem ajudar a reduzir o erro rapidamente. Essa correção rápida, no entanto, pode ser problemática. Um Kp alto pode fazer com que a variável do processo exceda o ponto de ajuste se o sistema tiver uma inércia inerente ou um amortecimento significativo. A superação é causada por essa característica inerente.

Este termo (D) adiciona uma camada adicional de informações antecipatórias. O termo derivativo (D) calcula a taxa na qual o erro muda e produz uma saída em oposição a essa taxa. Imagine que é uma força aplicada para tentar impedir que a variável no processo mude rapidamente de direção. A força oposta é como um amortecedor. Ao evitar que o sistema ultrapasse o ponto de ajuste, um termo D devidamente ajustado reduzirá significativamente o overshoot. O termo D suaviza a resposta e ajuda o sistema a se acalmar mais suavemente. O termo D é muito sensível ao ruído. O termo D pode aumentar o ruído se os sinais do sensor contiverem flutuações rápidas. Isso pode levar a correções não confiáveis, como instabilidade ou superação. A sensibilidade do sistema de controle é crucial e deve ser ajustada com cuidado.

Integral (I), por outro lado, aborda outro aspecto do erro. O termo integral calcula o erro cumulativo. O termo integral aumentará a saída do controlador se o erro continuar, não importa quão pequeno seja. Isso leva o sistema a trabalhar mais, até que seja corrigido. É o objetivo principal do termo I remover o erro de estado estacionário e garantir que a variável do processo atinja seu ponto de ajuste. O termo I, embora altamente vantajoso, pode contribuir indiretamente para a superação. O termo integral, ao adicionar forças motrizes significativas, pode ultrapassar os pontos de ajuste, particularmente se a dinâmica do sistema impedir que os termos P ou D neutralizem as ações integrais com rapidez suficiente. É mais sobre o acúmulo de forças motrizes ao longo do tempo. No entanto, também pode interagir com os termos D e P e causar oscilações ou ultrapassagens, se o Ki se tornar muito alto ou se a dinâmica do sistema não for compreendida.

As características inerentes ao processo de controle influenciam fortemente o comportamento do PID. Isso inclui a superação. A ordem do sistema (ou seja, de primeira ou segunda ordem), sua frequência natural e taxa de amortecimento são fatores importantes. É mais provável que ocorra overshoot em um sistema com baixo amortecimento e alta frequência natural. É importante entender essas dinâmicas para um ajuste eficaz. Reduza o overshoot equilibrando cuidadosamente os ganhos do PID se o processo tiver baixo amortecimento ou for oscilatório.

III. Concentre-se nos principais métodos de ajuste para reduzir o overshoot

O overshoot pode ser resolvido diretamente ajustando os ganhos de PID, ou seja, Proporcional (Kp), Integral (Ki) e Derivativo (Kd). Esses parâmetros são ajustados para encontrar um equilíbrio entre capacidade de resposta, estabilidade e amortecimento. Para reduzir o overshoot, Kp e Ki geralmente são ajustados primeiro. Ki é então ajustado principalmente para eliminar o erro de estado estacionário depois que o sistema se tornou razoavelmente estável.

Muitas vezes, a primeira coisa a fazer é ajustar o Ganho Proporcional. Kp reduzido diminuirá a resposta do sistema. O sistema pode se acalmar mais lentamente, desacelerando-o. Isso reduz a energia que pode levar a um overshoot. Isso tem um preço. Um tempo de resposta mais lento significa que o sistema levará mais tempo para atingir seu ponto de ajuste. Além disso, a redução de Kp pode não eliminar totalmente o erro de estado estacionário. O ganho integral (Ki), que é a diferença entre a variável do processo e o valor do ponto de ajuste, entra em jogo com esse erro. Diminuição de Kp reduz P' e muitas vezes requer uma afinação cuidadosa do Ki. A redução do Kp pode ajudar a amortecer a resposta e reduzir a superação. No entanto, isso não é suficiente para interromper o erro. É importante gerenciar o trade-off.