Malha de controle PID - o que é?

Entendendo os loops de controle PID: componentes e princípios de funcionamento

Saiba mais sobre os conceitos básicos de loops PID. Isso inclui seus princípios de funcionamento, componentes, aplicações, benefícios e desafios. Saiba como implementar loops de controle PID para obter o desempenho ideal.

1. Introdução

Entendendo os componentes PID

Três elementos essenciais compõem um loop PID: controle proporcional (P), integral (I) ou derivativo (D). Cada elemento desempenha um papel específico na estratégia de controle.

Controle (P) Proporcional: Este componente gera uma saída diretamente proporcional ao valor do erro. O componente proporcional é responsável por diminuir o erro total através do ajuste do sinal de controle de acordo com a magnitude. O ganho proporcional Kp determina a capacidade de resposta do sistema. Valores mais altos de Kp resultam em respostas mais rápidas, mas também podem causar instabilidade e superação.

Integral de controle: Este componente aborda os erros passados integrando-os ao longo do tempo. O sinal de controle é ajustado continuamente até que não haja erros. O ganho integral (Ki) influencia a rapidez com que o erro no estado estacionário é corrigido. Oscilações instáveis podem resultar de ações integrais excessivas.

Derivada de controle (D): Este componente usa a taxa de alteração de erro para prever erros futuros. O componente derivado fornece um efeito de amortecimento, o que melhora a estabilidade do sistema, reduzindo erros rápidos. Kd é o ganho derivado que determina como as ações derivadas são influenciadas. Embora possa aumentar a estabilidade de um sistema, uma quantidade excessiva de ação derivada pode causar ruído ou comportamento errático.

2. O que é o Loop de Controle PID?

Os loops PID modificam continuamente os sinais de controle para reduzir a diferença entre o ponto de ajuste desejado e a variável de processo medida. Esta é uma explicação passo a passo do loop PID:

Cálculo do erro: No loop PID, o primeiro passo é calcular os valores de erro. Esta é a diferença entre os pontos de ajuste desejados e as variáveis de processo medidas. O valor do erro é usado como base para cálculos subseqüentes.

Proporcional de resposta O componente proporcional produz um sinal proporcional aos valores de erro atuais. Essa resposta é determinada pelo ganho proporcional Kp. Valores mais altos de Kp resultam em controles mais agressivos.

Resposta Inteira: Este componente calcula erros cumulativos ao longo do tempo e, em seguida, gera sinais de controle proporcionais a esses erros cumulativos. A taxa de correção para o erro no estado estacionário é determinada pelo ganho integral Ki.

Resposta derivada: Este componente calcula a taxa de erro e produz um sinal proporcional à taxa de erro. Kd é o ganho derivativo que determina como a ação derivada influenciará o sinal de controle.

Ajuste do sinal de controle: Combinando os sinais de controle produzidos por componentes integrais, proporcionais e derivados para criar o sinal de controle final. O sinal de controle gerado pelos componentes integrais, proporcionais e derivados é combinado para produzir o sinal de controle final.

3. Aplicações de malha de controle PID

Devido à sua eficácia e simplicidade, os circuitos de controle PID são amplamente utilizados em muitas indústrias. Os loops PID são usados em uma variedade de aplicações.

Controle de temperatura: Em sistemas HVAC, os controladores PID mantêm a temperatura desejada em processos industriais e de construção. Esses controladores garantem eficiência energética, conforto e controle preciso da temperatura.

Controle de velocidade do motor Os controladores PID regulam as velocidades do motor usando motores elétricos. Esses controladores garantem um controle de velocidade suave e preciso e melhoram o desempenho dos sistemas motorizados.

4. Benefícios de usar o loop de controle PID

Os loops PID são populares no campo da engenharia do sistema de controle porque oferecem vários benefícios. Estes são alguns dos principais benefícios:

Estabilidade do sistema de controle O uso combinado de ações integrais e derivadas melhora a estabilidade do sistema. A ação integral reduz o erro no estado estacionário, enquanto a ação derivada evita oscilações.

Redução do overshoot O ajuste adequado pode reduzir o overshoot e garantir que as variáveis do processo atinjam o ponto de ajuste desejado sem flutuações excessivas. O controle será mais suave, mais preciso e exato.

Eliminação do erro de estado estacionário: Esta parte integrante do loop de controle PID elimina o erro de estado estacionário ajustando continuamente o sinal até que o erro cumulativo seja zero. A variável de processo permanecerá no ponto de ajuste.

5. Desafios do loop de controle PID

Embora os loops PID tenham muitos benefícios, eles também podem apresentar desafios em sua implementação.

Complexidade de ajuste: Pode ser difícil encontrar os melhores valores para ganhos integrais, proporcionais e derivativos. Uma afinação incorreta pode levar a oscilações e instabilidade. Para determinar o ganho do PID, diferentes métodos de ajuste são usados, incluindo Ziegler Nichols, tentativa e erro, etc.

Sensibilidade ao ruído O componente derivado no loop PID é sensível quando ocorre ruído durante a medição das variáveis do processo. Isso pode resultar em sinais erráticos para controle e baixo desempenho do sistema. A filtragem de ruído pode ser usada para mitigar o problema.

Dinâmica do sistema: O desempenho dos loops PID é afetado pela dinâmica. A eficácia de um controlador PID pode ser afetada por mudanças na dinâmica do processo, incluindo atrasos de tempo ou não linearidades. Esses desafios podem ser enfrentados usando estratégias de controle adaptativo ou métodos baseados em modelos.

O loop PID pode ser resumido como uma estratégia flexível e comumente usada para sistemas de controle industrial. A malha de controle PID é uma ferramenta importante para a engenharia do sistema de controle porque pode fornecer controle preciso, reduzir erros de estado estacionário e aumentar a estabilidade. A implementação de loops PID requer um ajuste cuidadoso do sistema e a consideração da dinâmica do processo. Os engenheiros podem obter o desempenho ideal entendendo os loops PID e seus componentes, princípios de operação, vantagens e desafios.

Referências

Controlador proporcional-integral-derivada – Wikipédia, a enciclopédia livre

Controlador PID explicado