processos de tratamento térmico exemplifica a necessidade de controlo PID. Para garantir uma qualidade consistente do produto, a temperatura no interior de um forno ou forno deve ser mantida dentro de limites estreitos. Qualquer perturbação, como por exemplo quando um produto é adicionado ou retirado ou quando é aplicada uma função na plataforma de estacionamento, deve ser manuseada de forma adequada. apesar de simples no conceito, a matemática subjacente ao controle de PID é complexa e alcançar um desempenho ótimo implica selecionar valores específicos do processo para uma gama de parâmetros interagindo.
o processo de encontrar estes valores é referido como “tuning”.”Quando sintonizado de forma otimizada, um controlador de temperatura PID minimiza o desvio do ponto de ajuste, e responde a perturbações ou mudanças de ponto de ajuste rapidamente, mas com o mínimo de superação.
This White Paper from OMEGA Engineering discusses how to tune a PID controller. Mesmo que muitos controladores fornecem capacidades de afinação automática, uma compreensão da afinação PID vai ajudar a alcançar o desempenho ideal. Endereço das secções individuais:
Basics of PID Control
PID Controller Tuning Methods
○ Manual Tuning
Tuning Tuning Heuristics
○ Auto Tune
Common Applications of PID Control
Basics of PID Control
PID control is based on feedback. A saída de um dispositivo ou processo, como um aquecedor, é medida e comparada com o ponto-alvo ou o ponto-alvo. Se for detectada uma diferença, é calculada e aplicada uma correcção. A saída é medida novamente e qualquer correção necessária recalculada. PID significa derivada integral proporcional. Nem todos os controladores usam as três funções matemáticas. Muitos processos podem ser tratados para um nível aceitável apenas com os Termos integrais proporcionais. No entanto, o controlo fino, e especialmente a prevenção da superação, requer a adição de controlo de derivados.
no controle proporcional o Fator de correção é determinado pelo tamanho da diferença entre o ponto de ajuste e o valor medido. O problema com isso é que à medida que a diferença se aproxima de zero, o mesmo acontece com a correção, com o resultado de que o erro nunca vai para zero.
a função integral aborda isso considerando o valor cumulativo do erro. Quanto maior for a diferença ponto-a-actualvalue estabelecida, maior será o tamanho do factor de correcção calculado. No entanto, quando há um atraso em resposta à correção, isso leva a uma superação e, possivelmente, a oscilação em torno do ponto de set. Evitar este é o propósito da função derivada. Este estudo analisa a taxa de mudança a ser alcançada, modificando progressivamente o factor de correcção para diminuir o seu efeito à medida que se aproxima o ponto de referência.cada processo tem características únicas, mesmo quando o equipamento é essencialmente idêntico. O fluxo de ar em torno dos fornos irá variar, as temperaturas ambientes irão alterar a densidade de fluido e viscosidade, e a pressão barométrica vai mudar de hora a hora. As configurações de PID (principalmente o ganho aplicado ao fator de correção, juntamente com o tempo utilizado nos cálculos integrais e derivados, denominados “reset” e “taxa”) devem ser selecionadas para atender a essas diferenças locais. em termos gerais, existem três abordagens para determinar a combinação ideal destas configurações: afinação manual, afinação heurística, e métodos automatizados.
Zeigler-Nichols (ZN) Rules
first published in 1942, Zeigler and Nichols described two methods of tuning a PID loop. O primeiro método implica a medição do atraso na resposta e, em seguida, o tempo necessário para atingir o novo valor de saída. O segundo depende do estabelecimento do período de uma oscilação em estado estacionário. Em ambos os métodos estes valores são então inseridos em uma tabela para derivar valores para ganho, redefinir o tempo e a taxa.ZN não está sem problemas. Em algumas aplicações, produz uma resposta considerada demasiado agressiva em termos de ultrapassagem e oscilação. Outra desvantagem é que pode ser demorado em processos que reage lentamente. Por estas razões, alguns praticantes de controle preferem outras regras como Tyreus-Luyben ou Rivera, Morari e Skogestad.
afinação manual
com informação suficiente sobre o processo sendo controlado, pode ser possível calcular os valores ideais de ganho, reset e taxa. Muitas vezes o processo é demasiado complexo, mas com algum conhecimento, particularmente sobre a velocidade com que responde às correções de erro, é possível alcançar um nível rudimentar de ajuste. a afinação Manual é feita ajustando o tempo de reset para seu valor máximo e a taxa para zero e aumentando o ganho até que o loop oscila em uma amplitude constante. (Quando a resposta a uma correção de erro ocorre rapidamente um ganho maior pode ser usado. Se a resposta for lenta, um ganho relativamente pequeno é desejável). Em seguida, definir o ganho para metade desse valor e ajustar o tempo de reset para que ele corrige para qualquer deslocamento dentro de um período aceitável. Finalmente, aumentar a taxa até que a superação seja minimizada.
como automatizar a sintonização do controlador PID
a maioria dos controladores PID vendidos hoje incorporam funções de ajuste automático. Os detalhes operacionais variam entre os fabricantes, mas todas seguem regras onde o controlador “aprende” como o processo responde a uma perturbação ou alteração no ponto de jogo e calcula configurações PID apropriadas.controladores PID mais novos e mais sofisticados, como a série de platina da OMEGA, incorporam a lógica fuzzy com suas capacidades de Auto-tune. Isso fornece uma maneira de lidar com imprecisão e não linearidade em situações de controle complexas, como são frequentemente encontrados nas indústrias de fabricação e processo e ajuda com a otimização de ajuste.muitas regras evoluíram ao longo dos anos para abordar a questão de como afinar um loop PID. Provavelmente o primeiro, e certamente o mais conhecido, são as regras Zeigler-Nichols (ZN). publicado pela primeira vez em 1942, Zeigler e Nichols descreveram dois métodos de sintonizar um loop PID. Estes trabalham aplicando uma mudança de passo no sistema e observando a resposta resultante. O primeiro método implica a medição do atraso na resposta e, em seguida, o tempo necessário para atingir o novo valor de saída. O segundo depende do estabelecimento do período de uma oscilação em estado estacionário. Em ambos os métodos estes valores são então inseridos em uma tabela para derivar valores para ganho, redefinir o tempo e a taxa. ZN não está sem problemas. Em algumas aplicações, produz uma resposta considerada demasiado agressiva em termos de ultrapassagem e oscilação. Outra desvantagem é que pode ser demorado em processos que reagem apenas lentamente. Por estas razões, alguns praticantes de controle preferem outras regras como Tyreus-Luyben ou Rivera, Morari e Skogestad.
a sintonização do ganho do controlador PID
a sintonização do ganho do controlador PID pode ser difícil. O método proporcional é o mais fácil de entender. Neste caso, a saída do fator proporcional é o produto do ganho e do erro medido ε. Assim, maior ganho ou erro proporcional faz com que maior saída do fator proporcional. Definir o ganho proporcional muito alto faz com que um controlador ultrapasse repetidamente o setpoint, levando à oscilação. Ao definir o ganho proporcional muito baixo fazer a saída de loop negligenciável. Uma maneira de compensar este erro de estado estacionário é usando o método de Zeigler-Nichols de definir os ganhos I E D para zero e, em seguida, aumentar o ganho P até que a saída do loop começa a oscilar.
Auto Tune
a maioria dos controladores de processo vendidos hoje incorporam funções de ajuste automático. Os detalhes de operação variam entre os fabricantes, mas todos seguem regras semelhantes às descritas acima. Essencialmente, o controlador “aprende” como o processo responde a uma perturbação ou mudança no ponto de jogo, e calcula configurações PID apropriadas. No caso de um controlador de temperatura como a série CNI8 da OMEGA, quando “Auto Tune” é selecionado, o controlador ativa uma saída. Ao observar tanto o atraso quanto a taxa com que a mudança é feita, ela calcula as configurações P, I e D ideais, que podem então ser ajustadas manualmente, se necessário. (Note que este controlador requer que o ponto de ajuste seja pelo menos 10°C acima do valor do processo atual para a auto afinação a ser realizada). controladores mais novos e mais sofisticados, como a série de platina da OMEGA de controladores de temperatura e processo, incorporam a lógica fuzzy com suas capacidades de Auto tune. Isso fornece uma maneira de lidar com imprecisão e não linearidade em situações de controle complexas, como são frequentemente encontrados nas indústrias de fabricação e processo, e ajuda com a otimização de ajuste.
Aplicações Comuns de Controle PID
Controle PID Simulador
Fornos e fornos utilizados no tratamento térmico industrial são necessárias para o alcance de resultados consistentes, independentemente de como a massa e a umidade do material que está sendo aquecido pode variar. Isso faz com que esse equipamento seja ideal para controle de PID. As bombas usadas para fluidos móveis são uma aplicação semelhante, onde a variação nas propriedades dos meios de comunicação pode mudar a saída do sistema a menos que um laço de realimentação seja implementado. Sistemas de controle de movimento também usam uma forma de controle de PID. No entanto, como a resposta é ordens de magnitude mais rápido do que os sistemas descritos acima, estes requerem uma forma diferente de controlador para o discutido aqui.
compreender a sintonização PID
o controlo PID é usado para gerir muitos processos. Os fatores de correção são calculados comparando o valor de saída com o ponto de set e aplicando ganhos que minimizem a superação e a oscilação, efetivando a mudança o mais rapidamente possível.
a afinação PID implica o estabelecimento de valores de ganho adequados para o processo a ser controlado. Enquanto isso pode ser feito manualmente ou por meio de heurísticas de controle, a maioria dos controladores modernos fornecem capacidades de Auto tune. No entanto, continua a ser importante para os profissionais de controle entender o que acontece após o botão pressionado.