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INDO ALM DO CONTROLE P.I.D. Marcos R. Dillenburg

Origem do controle P, PI, PD e PID: mecnico e pneumtico Controladores eletrnicos Controladores microprocessados Estgio atual do controle PID Equipamentos Single loop Blocos de controle em sistemas computacionais maiores (PLC, PC, SDCD) Auto-sintonia e Auto-adaptativo Sintonia do PID Manual Auto-sintonia Auto-adaptativo Custo da m sintonia de malhas PID na prtica (processo simulado em computador ou processo fsico?) Controle P Controle PI Controle PD Controlel PID Controladores PID da Novus A Novus tem PID h 20 anos N480D, N1100, N2000, N2000S, N1100HC, N960, N3000 A prxima gerao com auto-adaptativo

Pouca utilidade http://www.tcnj.edu/~rgraham/PID-tuning.html http://www.expertune.com/Articles.html

Planilha Excel com PID http://www.htservices.com/Applications/Process/PID1.htm

Informaes de histrico http://www.elecdesign.com/Articles/Print.cfm?ArticleID=6131

Diferentes formas de clculo http://lorien.ncl.ac.uk/ming/pid/PID.pdf http://www.expertune.com/artCE87.html

UM POUCO DE HISTRIA

Grandes fases do controle realimentado Gregos e rabes: Relgios dgua 300AC a 1200DC Homem preocupado em entender seu lugar no tempo e espao Revoluo industrial na Europa Sculo 19 Domando o ambiente e investindo em conforto Crescimento da comunicao e guerras mundiais 1910 a 1945 Ocupando espao no globo Incio da era espacial e da computao 1960. Ocupando espao no cosmo

Precursores do Controle Proporcional Regulador de vazo em relgios de gua, de Ctesibius de Alexandria 300 AC Regulador Centrfugo (Flyball Governor), de James Watt 1788

Primeiro Controle PID Desenvolvido para o controle de direo de navios Minorsky, N., Directional Stability and Automatically Steered Bodies, J. Am. Soc. Nav. Eng., Vol. 34, p. 280, 1922.

Primeiros Controladores PI & PID 1931: Foxboro Model 10 Stabilog: PI 1933: Taylor lana controlador Double-Response 1939: Taylor Model 100 Fullscope: PID (Proporcional, reset e pre-act), totalmente ajustvel 1939: Foxboro incorpora Hyper-reset ao Model 10 Stabilog, tornando-o PID. Somente P ajustvel. 4 ajustes fixos de I+D

Primeiros PIDs IndustriaisTaylor Model 100 FullscopeFoxboro Model 10 Stabilog

Dificuldade: Ajuste de Parmetros No existia metodologia estabelecida para ajuste dos parmetros de controle necessrios estabilizao do processo. Pesquisadores da Taylor iniciaram pesquisas, resultando no clssico trabalho:

"Optimum settings for automatic controllers, J. B. Ziegler and N. B. Nichols, ASME Transactions, v64 (1942), pp. 759-768.

Ziegler & Nichols If there is ever a museum built to honor PID, statues of John Ziegler and Nate Nichols should be at the entrance." (George Blickley)

Z & N

John G. Ziegler 1909-1997 Nathaniel B. Nichols 1914-1997

Histrico do controle PID na NOVUS A NOVUS lanou seu primeiro produto com controle PID microprocessado em 1987. Em 1989 efetuou melhorias significativas no algoritmo de controle e implantou a SINTONIA AUTOMTICA Desde 2002 a NOVUS realizou intensas pesquisas na rea de PID AUTO ADAPTATIVO que agora resultam em produtos avanados no mercado. Ao longo de 20 anos implantou inmeros aperfeioamentos nos algoritmos de controle, incorporando ao PID clssico regras de otimizao de desempenho desenvolvidas na sintonia de dezenas de milhares de malhas de controle.

ENTENDENDO O P.I.D.

Terminologia PV Process Variable ou Varivel de Processo. Varivel controlada no processo (temperatura, presso, etc.) SV ou SP Set Value ou Set Point. Valor desejado para a Varivel de Processo MV Varivel Manipulada. Varivel sobre a qual o controlador atua para controlar o processo (posio de vlvula, tenso sobre uma resistncia de aquecimento, etc.)

Terminologia Erro ou Desvio Diferena (SV PV) ou (PV SV) Ao de Controle Define a correo aplicada pelo controlador MV em resposta variaes de PV Reversa: Se PV aumenta, MV diminui. Controle de aquecimento Direta: Se PV aumenta, MV aumenta. Controle de refrigerao

O ambiente de testes que utilizaremos Nas etapas prticas desta palestra, utilizaremos o seguinte sistema bsico:

Noo fsica do P.I.D.

P I D

CORREO PROPORCIONAL AO ERRO

A correo a ser aplicada ao processo deve crescer na proporo que cresce o erro entre o valor real e o desejado. Erros pequenos mas que existem h muito tempo requerem correo mais intensa.

CORREO PROPORCIONAL AO PRODUTO ERRO x TEMPO

Se o erro est variando muito CORREO PROPORCIONAL rpido, esta taxa de variao VELOCIDADE DE VARIAO deve ser reduzida para evitar DO ERRO oscilaes.

Controle Proporcional MV proporcional ao valor do desvio Desvio Zero MV Zero Sempre apresenta desvio ! Parmetro de ajuste: Ganho ou Banda Proporcional Banda Proporcional Valor de Desvio que resulta em MV = 100%

MV (t ) = Kp E (t ) 100 MV (t ) = E (t ) Pb

Efeito de Pb no controle P

Uma pausa para a prtica:

Controle P.I. O INTEGRAL nunca utilizado sozinho, pois incapaz de controlar o processo. Introduz uma correo de MV que proporcional AMPLITUDE e DURAO do desvio. Tem o efeito de eliminar o ERRO inerente ao controle PROPORCIONAL. Parmetro de ajuste: Tempo ou Freqncia Integral Pode instabilizar o controle

1 MV (t ) = Kp E (t ) + E (t )dt Ti 1 Ir = Ti

Controle P x PI

Uma pausa para a prtica:

Controle PD O DERIVATIVO nunca utilizado sozinho, pois incapaz de controlar o processo. Introduz uma correo de MV que proporcional VELOCIDADE DE VARIAO do desvio. Tem o efeito de atenuar as variaes de PV. Tem efeito nulo se PV est estvel um amplificador de rudos Pode instabilizar o controle Parmetro de Ajuste: Tempo Derivativo

dE (t ) MV (t ) = Kp E (t ) + Td dt

Controle P x PD

Uma pausa para a prtica:

Trabalho em Equipe P.I.D.

P.I.D. Soma das 3 parcelas descritas P: Controle bsico I: Eliminao do desvio D: Reduo de oscilaes Dificuldade: Ajuste da intensidade da cada uma das aes ao processo controlado SINTONIA

P.I.D. Equao Equao do P.I.D. Ideal no iterativo, em termos de Kp e Pb:

1 dE (t ) MV (t ) = Kp E (t ) + E (t )dt + Td Ti dt 100 1 dE (t ) MV (t ) = E (t ) + E (t )dt + Td Pb Ti dt

Uma pausa para a prtica:

SINTONIA DO P.I.D.

Sintonia dos Parmetros PID Buscar a combinao mais adequada dos 3 parmetros para que o processo apresente o desempenho esperado.

PID no faz milagres No capaz de melhorar o desempenho de um processo mal dimensionado. Problemas tpicos de processos: Mal dimensionamento do atuador Excesso ou Falta de atuao sobre o processo Atuao assimtrica sobre o processo No linearidade Mal dimensionamento do sensor Sensor com faixa de medio muito grande Sensor mal posicionado ou mal instalado Falhas do atuador Folga, atrito Falhas inerente ao processo Instvel Atraso na medio ou atuao

Vamos ver na prtica um processo mal-comportado... Com grande atraso na medio Inerentemente oscilante Circuito RLC sub-amortecido

Custo da m sintonia A melhoria da sintonia de malhas de controle um investimento de rpido retorno (menos de 4 meses para uma malha complexa). Malhas de controle mal sintonizadas elevam os custos pois: Aumentam o consumo de energia eltrica (atuadores eltricos, compressores de ar para instrumentao) Aumentam o desgaste de vlvulas, pois se movimentam mais freqentemente, resultando em manutenes mais freqentes. Aumentam o nmero de paradas do processo para manuteno Aumentam o refugo produzido antes da total estabilizao da planta Reduzem a qualidade do produto (e seu valor), pela falta de estabilidade nas condies ideais de produo.

Sintonia Manual Diversas tcnicas, destacando-se: Ziegler & Nichols (1942) Ganho crtico (malha fechada) Curva de reao (malha aberta) Cohen & Coon (1952) Melhorias nos mtodos propostos por Z&N. Melhor desempenho quando processo tem atraso Astrm e Hgglund (1984) Melhorias nos mtodos propostos por Z&N Outras tcnicas, nos perdoem. Impossvel cit-las todas!

Efeito dos parmetros no desempenho

Ao aumentar o parmetro: Pb

Tempo de subida Aumenta Diminui ?

Overshoot Diminui Aumenta Diminui

Tempo de Estabilizao ? Aumenta Diminui

Desvio Aumenta Elimina ?

1 Ir = Ti Td

Como melhorar manualmente a sintoniaSe o desempenho do processo ... Est quase bom, mas o overshoot est um pouco alto Est quase bom, mas no tem overshoot e demora para atingir o setpoint Est bom, mas MV est sempre variando entre 0% e 100% ou est variando demais. Est ruim. Aps a partida avana lentamente em direo ao setpoint, sem overshoot. Ainda est longe do setpoint e MV j menor que 100% Est ruim. Aps a partida, o transitrio dura vrios perodos de oscilao, que reduz muito lentamente ou no reduz. Tente uma a uma as opes: Aumentar Pb em 20% Diminuir Ir em 20% Aumentar Dt em 50% Diminuir Pb em 20% Aumentar Ir em 20% Diminuir Dt em 50% Diminuir Dt em 50% Aumentar Pb em 20% Diminuir Pb em 50% Aumentar Ir em 50% Diminuir Dt em 70% Aumentar Pb em 50%

SINTONIA AUTOMTICA DO P.I.D.

Sintonia Automtica Controladores implementam em software um dos mtodos de sintonia manual descritos. Controlador executa o procedimento de sintonia quando solicitado pelo operador. Implementada pelo principais fabricantes de controladores PID ao longo da dcada de 1980. Atualmente todos tm este recurso Novus implementou primeira verso de sua sintonia automtica em 1989. Primeiro fabricante nacional a implementar este recurso em controladores single-loop

Uma pausa para a prtica: Sintonia Automtica

P.I.D. AUTO ADAPTATIVO

Controle PID Auto-adaptativo Controlador capaz de avaliar continuamente a preciso e estabilidade do controle e ajustar automaticamente seus parmetros caso o desempenho no seja satisfatrio, sem interferncia do usurio. Primeiros produtos surgiram no meio da dcada de 1990 Ainda um recurso oferecido por poucos controladores PID industriais. NOVUS concluiu pesquisas iniciadas em 2002 e est lanando uma nova gerao de produtos com este recurso

Controle PID Auto-adaptativo Muitas alternativas tcnicas para sua implementao. Fatores que devem ser considerados na escolha da melhor tcnica: Adequao ao controle de diferentes processos Tcnicas baseadas em modelo matemtico do processo so menos genricas ou requerem mais parmetros.

Perturbao imposta ao processo Tcnicas no baseadas em modelo introduzem maior perturbao no processo.

Adequao capacidade computacional disponvel. Tcnicas baseadas em modelo demandam mais recursos computacionais.

Adaptativo Fuzzy? Fuzzy Adaptativo? Fuzzy Logic uma ferramenta matemtica desenvolvida para permitir a implementao de modelos matemticos que reproduzem regras e conceitos subjetivos do conhecimento humano. Aplicaes industriais de Fuzzy usualmente atuam na correo dos parmetros PID, visando sua autoadaptao ao processo. , portanto, uma das tantas tcnicas disponveis para implementao de melhorias no desempenho do controle PID. tambm uma palavra que caiu na graa de alguns e em desgraa para outros.

Auto-Adaptativo Novus Sintonia pelo mtodo do rel proposto por Ziegler e Nichols, modificado por Astrm e Hgglund e adequado pela NOVUS. Uma metodologia de monitorao do desempenho do controle foi implementada para torn-lo autoadaptativo. o corao do sistema. Adequado a diferentes processos, por no se basear em modelo matemtico deste. Baseado em pesquisa conjunta entre Novus e GCAR/UFRGS.

Auto-Adaptativo Novus Em Blocos

Seqncia tpica de eventos de sintonia e adaptao

Resultado Prtico

F: PV tambm oscila D: Processo estvel ao novos parmetros C: Sintonia alteraoem regime permanente oscilao B: Desempenho deteriorado. Auto-adaptativo em A: ProcessoInicial comprocesso. MV iniciaPID ao E: Imposta estvel

Uma pausa para a prtica: Auto Adaptativo

CONTROLADORES P.I.D. NOVUS

Controladores Novus em nmeros Mais de 300.000 controladores PID vendidos Fabricante Nacional lder de mercado Exportados para 50 pases Produtos certificados para o mercado Europeu, NorteAmericano e Canadense: CE & UL

Sistema da Qualidade certificado ISO 9001 desde 1998

Controladores PID Single Loop

N322

N480D

N1100 & N1100HC N2000 & N2000S

Linha completa de produtos, totalmente configurveis para as mais diversas aplicaes

N960

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Informao Tcnica Completa

OBRIGADO !