Sintonia do Controle PID

Publicado em 10 de abril de 2023 por Roberta Roth

A bibliografia de controle apresenta diversas técnicas para sintonia, tanto operando o processo em manual (malha aberta) quanto em automático (malha fechada). Foge ao objetivo deste artigo apresentar essas técnicas. A grande maioria dos controladores PID industriais incorporam recursos de “Auto Tune”, em que o controlador aplica um ensaio ao processo e obtém o conjunto de parâmetros do PID (Pb, Ir e Dt).

>>>> Este artigo é a continuação do conteúdo sobre Controle PID Básico.

Para a maior parte dos processos, esse cálculo é adequado, mas, em muitos casos, é necessário realizar uma correção manual para atingir um desempenho de controle mais satisfatório (menos overshoot, estabilização mais rápida, etc.).

Para efetuar manualmente esta correção, é fundamental compreender os princípios de funcionamento aqui expostos. A seguir serão apresentadas diretrizes que permitem realizar uma otimização manual do desempenho de um controlador PID.

Corrigindo manualmente o PID

Em muitos casos, é necessário realizar o ajuste da sintonia após a conclusão do Auto Tune. Esse ajuste é manual e deve ser feito por tentativa e erro, alterando os parâmetros PID e verificando o desempenho do processo até que o desempenho desejado seja obtido. Para isso, é necessário conhecimento do efeito de cada parâmetro do PID sobre o desempenho do controle, além de experiência em diferentes processos.

As definições de um bom desempenho de controle são também bastante variadas. Muitas vezes, o usuário espera de seu sistema uma resposta que ele não tem capacidade de atingir, independente do controlador utilizado. É comum que o operador reclame que a temperatura do forno demora muito a subir, mas o controlador está com MV sempre a 100 %, ou seja, não tem mais o que fazer para acelerar.

Às vezes, o operador também quer velocidade, mas não quer overshoot, desejo muitas vezes conflitante.

Na avaliação do desempenho do controlador, é importante analisar o comportamento da PV e MV e verificar se o controlador está atuando sobre MV nos momentos adequados. Coloque-se no lugar do controlador e imagine o que você faria com a MV e compare com a ação tomada pelo controlador. À medida que se adquire experiência, esse tipo de julgamento passa a ser bastante eficiente.

A Tabela 2 a seguir resume o efeito de cada um dos parâmetros sobre o desempenho do processo:

PARÂMETRO	AO AUMENTAR, O PROCESSO …	AO DIMINUIR, O PROCESSO …
Pb	Torna-se mais lento. Geralmente se torna mais estável ou menos oscilante. Tem menos overshoot.	Torna-se mais rápido. Fica mais instável ou mais oscilante. Tem mais overshoot.
Ir	Torna-se mais rápido, atingindo rapidamente o Setpoint. Fica mais instável ou mais oscilante. Tem mais overshoot.	Torna-se mais lento, demorando para atingir o Setpoint. Fica mais estável ou mais oscilante. Tem menos overshoot.
Dt	Torna-se mais lento. Tem menos overshoot.	Torna-se mais rápido. Tem mais overshoot.

Tabela 2 – O efeito de cada parâmetro PID sobre o processo

A Tabela 3 a seguir apresenta sugestões de alteração nos parâmetros PID baseadas no comportamento do processo, visando sua melhoria:

SE O DESEMPENHO DO PROCESSO …	TENTE UMA A UMA AS OPÇÕES:
Está quase bom, mas o overshoot está um pouco alto.	Aumentar Pb em 20 %. Diminuir Ir em 20 %. Aumentar Dt em 50 %.
Está quase bom, mas não tem overshoot e demora para atingir o Setpoint.	Diminuir Pb em 20 %. Aumentar Ir em 20 %. Diminuir Dt em 50 %.
Está bom, mas MV está sempre variando entre 0 % e 100 % ou está variando demais.	Diminuir Dt em 50 %. Aumentar Pb em 20 %.
Está ruim. Após a partida, o transitório dura vários períodos de oscilação, que reduz muito lentamente ou não reduz.	Aumentar Pb em 50 %.
Está ruim. Após a partida, avança lentamente em direção ao Setpoint, sem overshoot. Ainda está longe do Setpoint e MV já é menor que 100 %.	Diminuir Pb em 50 %. Aumentar Ir em 50 %. Diminuir Dt em 70 %.

Tabela 3 – Como melhorar o desempenho do processo

Auto tune nos controladores da NOVUS

Todos os controladores PID da NOVUS permitem realizar o processo de Sintonia Automática dos parâmetros PID, recurso conhecido como “Auto Tune”.

Para realizar a Sintonia Automática, o controlador deve estar instalado no processo a ser controlado, com o sensor de medição de PV e o sinal de atuação de MV conectados ao processo e ao atuador e funcionando corretamente. O operador deve seguir as instruções contidas no manual do controlador para habilitar a função de Sintonia Automática e iniciar o controle do processo.

A técnica de Sintonia Automática nos controladores NOVUS é descrita a seguir.

Funcionamento da Sintonia Automática

Durante o processo de Sintonia Automática, o controlador realiza o controle do processo ao aplicar saltos em MV para provocar oscilações de PV ao redor de SV. Após alguns ciclos de oscilação, os parâmetros Pb, Ir e Dt do controle PID são calculados a partir da amplitude e período da oscilação, utilizando uma versão otimizada das fórmulas de Åström-Hägglund.

Após a Sintonia Automática, o controlador passa a controlar o processo, utilizando o algoritmo PID com os novos parâmetros calculados. O número de oscilações completas de PV ao redor de SV durante a Sintonia Automática dependerá das características do processo e pode ser concluída entre 1 e 5 ciclos.

A Figura 4 ilustra o comportamento de PV durante a Sintonia Automática de um processo que precisou oscilar 2,5 ciclos até obter as medições necessárias para calcular os parâmetros PID:

Figura 4 – Ensaio aplicado ao processo durante a Sintonia Automática

Sintonia auto adaptativa nos controladores da NOVUS

Os controladores mais avançados da NOVUS possuem funções de Sintonia Auto Adaptativa, além do recurso de Auto Sintonia. Quando habilitada pelo usuário, a função de Sintonia Auto Adaptativa observa continuamente o desempenho da malha de controle PID e realiza um novo ajuste nos parâmetros Pb, Ir e Dt sempre que o desempenho piorar em relação às observações anteriores.

A técnica de Sintonia Auto Adaptativa dos controladores NOVUS é explicada a seguir.

Funcionamento da Sintonia Auto adaptativa

A Sintonia Auto Adaptativa é uma função do controlador que pode ser habilitada ou desabilitada pelo usuário. Estando essa função habilitada e tendo sido executada por pelo menos uma vez, o controlador passa a monitorar continuamente a estabilidade de PV e MV por meio do cálculo de suas variâncias. A partir das variâncias individuais de PV e MV e de valores de referência estabelecidos para elas após o ciclo anterior de sintonia, é calculado um índice de desempenho, que indica a necessidade ou não de um novo ajuste nos parâmetros de controle.

Se o índice de desempenho do processo está baixo, o controlador inicia automaticamente um ciclo de sintonia automática, aplicando pequenos saltos em MV, sem degradar ainda mais o desempenho, até adquirir informações sobre o comportamento de PV e MV que permitam realizar um novo cálculo dos parâmetros Pb, Ir e Dt. Utilizando esses novos parâmetros, o controlador retoma o controle PID e estabelece um novo índice de desempenho para utilizar como referência.

A Figura 5 ilustra o diagrama em blocos do sistema de controle PID, monitor de desempenho e sintonia automática:

Figura 5 – Diagrama em blocos do sistema de controle PID auto adaptativo

A Figura 6 ilustra o comportamento de PV e MV em um processo que inicia estável, degrada sua performance, é automaticamente sintonizado para ajustar os parâmetros Pb, Ir e Dt às novas condições e retoma a estabilidade pelo controle PID.