Controlador proporcional integral derivativo

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Controlador proporcional integral derivativo, controlador PID ou simplesmente PID, é uma técnica de controle de processos que une as ações derivativa, integral e proporcional, fazendo assim com que o sinal de erro seja minimizado pela ação proporcional, zerado pela ação integral e obtido com uma velocidade antecipativa pela ação derivativa.

É baseado na resposta da modelagem matemática de uma malha de processo a ser controlada.

Na prática os PID são encontrados no interior de controladores eletrônicos chamados "single-loop", muitas vezes com microprocessadores, e também através de software em Controladores programáveis e outros equipamentos de controle.[1]

Os controladores contínuos podem controlar os processos de quatro formas distintas:

• Controle Proporcional (P);

• Controle Integral (PI);

• Controle Derivativo (PD);

• Controle Proporcional Integral Derivativo (PID).

Estes quatro modos de controle são também designados de ações de controle, cada uma delas reagindo de forma distinta ao erro presente nos sistemas. O controle proporcional ajusta a variável de controle de forma proporcional ao erro. O controle integral ajusta a variável de controle baseando-se no tempo em que o erro acontece. O controle derivativo ajusta a variável de controle tendo como base a taxa de variação do erro. A combinação destes tipos de controle forma o controlador conhecido na indústria como PID.

Algoritmo PID[editar | editar código-fonte]

Definindo como o sinal de saída, o algoritmo PID pode ser definido por:

onde

: Ganho Proporcional
: Ganho Integral
: Ganho Derivativo
: Erro
: Tempo
: Tempo de integração

Aplicando a transformada de Laplace, obtemos:

onde

: frequência complexa.

A Ação proporcional[editar | editar código-fonte]

Variável Controlada vs tempo para diferentes valores de Kp.

A ação proporcional produz um sinal de saída que é proporcional à amplitude do erro e(t), sendo a constante de proporcionalidade:

:

Comparado com a ação liga-desliga, esse método possui a vantagem de eliminar as oscilações do sinal de saída. Para tal, o sistema permanece sempre ligado e o sinal de saída é diferente de zero. Tendo em vista que o sinal de saída é proporcional ao erro, um erro não-nulo (conhecido por erro de off-set) é gerado. O valor do erro off-set é inversamente proporcional ao ganho e pode ser compensado adicionando-se um termo ao valor de referência ou pelo controle integral. Um ganho proporcional muito alto gera um alto sinal de saída, o que pode desestabilizar o sistema. Porém, se o ganho proporcional é muito baixo, o sistema falha em aplicar a ação necessária para corrigir os distúrbios.

Ação Integral[editar | editar código-fonte]

Variável Controlada vs tempo para diferentes valores de Ki.

A ação integral produz um sinal de saída que é proporcional à magnitude e à duração do erro, ou seja, ao erro acumulado. Isso fornece uma alternativa para corrigir o erro de off-set gerado pela ação proporcional e acelera a resposta do sistema, permitindo-o chegar ao valor de referência mais rapidamente. O sinal de saída do controlador PI pode ser descrito por :

:,

onde é o ganho integral.

A ação integral corrige o valor da variável manipulada em intervalos regulares, chamado tempo integral. Esse tempo integral é definido como o inverso do ganho integral. Se o ganho integral é baixo, o sistema pode levar muito tempo para atingir o valor de referência. No entanto, se o ganho integral for muito alto, o sistema pode tornar-se instável.

Ação Derivativa[editar | editar código-fonte]

Variável Controlada vs tempo para diferentes valores de Kd.

A ação derivativa produz um sinal de saída que é proporcional à velocidade de variação do erro:

:,

onde Kd é o ganho derivativo.

A ação derivativa fornece uma correção antecipada do erro, diminuindo o tempo de resposta e melhorando a estabilidade do sistema. [2][3] A ação derivativa atua em intervalos regulares, chamado tempo derivativo. Esse parâmetro é inversamente proporcional à velocidade de variação da variável controlada. Isso indica que a ação derivativa não deve ser utilizada em processos nos quais o sistema deve responder rapidamente a uma perturbação, nem em processos que apresentem muito ruído no sinal de medido, pois levaria o processo à instabilidade.

Ajuste de Parâmetros[editar | editar código-fonte]

O ajuste de parâmetros do controlador PID pode ser feito manualmente ou através de métodos de optimização como o método de Ziegler-Nichols. Nesse método, os ganhos e são primeiramente ajustados para zero. Em seguida, aumentamos o ganho proporcional até que o sinal de saída começa a oscilar. Isso define um ganho crítico, , e um período crítico, . Os ganhos dos controladores P, PI, PID são então ajustados conforme a tabela abaixo:

Método de Ziegler–Nichols
Tipo de Controlador
P - -
PI -
PID

Tendo em vista que o ganho proporcional do controlador P é apenas a metade do ganho crítico, esse sistema possui uma boa margem de ajuste. Devido ao efeito desestabilizante da ação integral, o ganho proporcional reduz para 0.45 do ganho crítico. Contudo, o efeito estabilizante da ação derivativa permite aumentar o ganho proporcional para 0.6 do ganho crítico no controlador PID.

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Referências[editar | editar código-fonte]

  1. «O que é Controle PID?». West CS 
  2. «Introduction: PID Controller Design». University of Michigan 
  3. Tim Wescott (outubro de 2000). «PID without a PhD» (PDF). EE Times-India