Fig. 1 - Resposta em Malha Aberta

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1 MODOS DE CONROLE Modo ou ação de controle é a forma através da qual o controlador age sobre o rocesso com o objetivo de manter a variável controlada no setoint. A ação de controle ara um rocesso deende de fatores como economia, recisão requerida, temo de resosta do rocesso, segurança, sensores e atuadores disoníveis. 1. Definições O rimeiro asso na seleção do modo de controle e dos arâmetros de sintonia do controlador é o conhecimento das características do rocesso. Uma das formas de se obter informações relevantes é através de um ensaio em malha aberta, or exemlo, submetendo o rocesso a uma variação em degrau na sua variável maniulada (VM). São duas as curvas de reação mais comuns ara os rocessos encontrados na indústria: Fig. 1 - Resosta em Malha Aberta Regime ransitório - Período no qual, a artir de uma variação inicial na VM, a variável controlada (VC) aresenta alterações. Regime Permanente (steady state) - Período a artir do qual a VC converge ara um valor ou comortamento, aroximadamente, constante (VC ss ). emo Morto (dead time) - t m - temo que o rocesso leva ara começar a resonder a uma variação na VM. Constante de emo do Processo - τ - emo que o rocesso leva ara que a VC atinja 63% VC ss. Sistema em Malha Fechada - o sistema é dito em malha fechada quando o rocesso está sob a ação de um controlador baseado em realimentação. 1

2 Setoint desvio CONROLADOR variável maniulada VM PROCESSO variável controlada VC Fig. 2 - Diagrama de Blocos de um Sistema de Controle. Fig. 3 - Resosta em Malha Fechada. emo de Reação - t r - equivale à constante de temo do rocesso em malha fechada. emo de Subida (arising time) - t sub - emo decorrido ara que a VC vá de 10%VC ss até 90%VC ss. emo de Acomodação (settling time) - t a - emo que a VC do rocesso gasta ara alcançar 95% de seu valor em regime ermanente (VC ss ). Quando a resosta do sistema é oscilatória o ta corresonde ao temo ara a VC se manter na faixa de VC ss ± 5%. Sobre-elevação (overshoot) - SE - Valor que a VC ultraassa VC ss or ocasião da rimeira oscilação, normalmente é exresso em termos ercentuais de VC ss. 2. Controle udo ou Nada (on-off, biestável) Neste modo de controle a variável maniulada, que corresonde à saída do controlador, assume aenas os valores 0 ou 100%, ou seja, considera-se que o atuador se desloca entre a osição mínima e máxima, instantaneamente. Este tio de controle roorciona uma saída semre oscilatória visto que a ação de controle ocorre semre que há uma variação da VC. 2

3 Fig. 4 - Sistema de Controle On-Off. Comumente o controlador udo ou Nada é utilizado com uma faixa diferencial (zona morta). A ativação ou desativação do atuador é realizada semre que a VC entra ou sai desta faixa ao invés de um único valor. Esta estratégia visa reservar o atuador evitando seu acionamento excessivo. Fig. 5 - Sistema de Controle On-Off com Faixa Diferencial. 3. Controle Flutuante Este modo de controle leva em conta o temo necessário ara o deslocamento do atuador entre seus limites mínimo e máximo. Normalmente, emrega, também, a faixa diferencial. Costuma aresentar oscilações na VC menores que o caso do controle tudo ou nada. 3

4 Fig. 6 - Sistema de Controle Flutuante com Faixa Diferencial. 4. Controle Proorcional Neste tio de controle a ação corretiva é diretamente roorcional ao desvio. () 0 ( ) ut u et onde u(t) - corresonde à ação corretiva ou sinal de controle u 0 - é uma constante que reresenta o valor do sinal de controle quando o desvio é nulo (bias) - é o ganho roorcional do controlador (arâmetro de sintonia a ser selecionado) e(t) - equivale ao erro ou desvio, ou seja, a diferença entre o setoint e o valor medido de VC Outra forma de sintonizar um controlador roorcional é através da banda roorcional 100% BP Fig. 7 - Sistema de Controle Proorcional. 4

5 Uma característica do controle roorcional é não conseguir manter a VC no setoint ois este não consegue eliminar um desvio em regime ermanente (offset). 5. Controle Integral A ação integral corresonde o sinal de correção deende da integral do desvio, seu efeito corresonde a um somatório do valor do desvio de forma a eliminar o offset. É emregada associada à ação roorcional (PI). ut () u et etdt () () 0 i onde i - temo integral, intervalo de temo onde, a ação integral é incrementada do valor do desvio etdt () - integral do desvio, somatório dos valores de desvio Fig. 8 - Sistema de Controle Proorcional Integral. Saturação da Ação Integral (windu) - Quando o setoint está fora do alcance do sistema de controle ode ocorrer que a ação integral ultraasse os 100% da VM de maneira que a arcela integral do controle cresce raidamente, mesmo aós o setoint tornar-se acessível o controlador ode erder a caacidade de controlar o sistema. A solução ara este roblema é uma ação de reset na arcela integral (ação anti-windu), recurso que, atualmente, está resente na maioria dos controladores. 6. Controle Derivativo (PD) A ação derivativa deende da derivada do desvio, a ação corretiva é roorcional, ortanto, à velocidade do desvio. Esta somente se manifesta enquanto existe variação do desvio, reduzindo as oscilações da resosta e roorcionando uma certa ação anteciativa ao sistema. () ut u et () 0 d de() t dt 5

6 onde d é o temo derivativo de() t é a derivada do desvio dt Fig. 7 - Sistema de Controle Proorcional Derivativo. ick Derivativo - Quando o sistema está sujeito a variações de setoint em degrau, a arcela derivativa oderá aresentar valores muito elevados o que ode comrometer o funcionamento dos atuadores. Para evitar este roblema os controladores aresentam a oção de utilizar a derivada da VC ao invés do sinal de desvio. 7. Sintonia de um Controlador PID A combinação da ação roorcional, integral e derivativa roorcional um controlador de amlo emrego e confiabilidade na indústria e cuja alicação está disonível em quase todos os controladores disoníveis. ut () u0 et () etdt () d i de() t dt A seleção dos arâmetros de sintonia do controlador PID ode ser feita or tentativa-e-erro utilizando a exeriência do oerador ou, ainda, através das diversas técnicas encontradas na literatura. écnica 1: A artir do conhecimento das características do rocesso (, t m e τ), do eríodo de amostragem ( s ) e do temo de reação (t r ) desejado ara o sistema em malha fechada. Quando se utilizam controladores digitais é necessário escolher o eríodo de amostragem, intervalo de temo no qual o controlador fará a leitura das saídas, cálculo da ação corretiva e envio do sinal de controle. Embora o senso comum indique que este valor deve ser o menor ossível, o valor τ τ recomendado é s

7 abela 1 Sintonia de um Controlador PID. Controlador PID i t τ Sintonia r τ s tm 2 tm s d 2 4 écnica 2: Esta técnica gera uma resosta com taxa de amortecimento de ¼ e seus arâmetros são obtidos através do uso de um controlador roorcional onde o ganho deve ser incrementado até o sistema aresentar oscilações de amlitude constante, o valor do ganho crítico ( crit ) será o que rovocou esta resosta, o temo crítico ( crit ) é o eríodo destas oscilações. abela 2 Sintonia de Controladores P, PI e PID. Controlador Sintonia P 2 crit PI PID 0, 45 crit i 1, 2 0,75 crit i 1, 6 crit d 10 crit crit abela 3 Influência dos Parâmetros de Sintonia na Resosta do Sistema. Parâmetro emo de Subida (t sub ) Sobre-elevação (SE) diminui aumenta emo de Acomodação (t a ) equena influência offset diminui i aumenta diminui diminui elimina d equena influência diminui diminui equena influência 7

8 USO DAS ENRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS DO CONROLADOR PICCOLO 102 abela 4 Comandos Adicionais da Linguagem Ladder. Símbolo Descrição habilita CAR sucesso Carrega Oerando (CAR): Carrega o valor de um oerando determinado em um registrador interno do CLP ara uso osterior de oerações de comaração. A carga é realizada quando a entrada habilita Se a carga ocorrer adequadamente, a saída sucesso é energizada. habilita Oer habilita > Oer habilita < Oer reg Oer reg Oer reg Oer Igual a: Semre que a entrada habilita estiver energizada, comara o oerando carregado ela instrução CAR com o valor armazenado no oerando Oer. Habilitando a saída caso CAR Oer. Maior que: Semre que a entrada habilita estiver energizada, comara o oerando carregado ela instrução CAR com o valor armazenado no oerando Oer. Habilitando a saída caso CAR > Oer. Menor que: Semre que a entrada habilita estiver energizada, comara o oerando carregado ela instrução CAR com o valor armazenado no oerando Oer. Habilitando a saída caso CAR < Oer. habilita CHF ANLOG O1 O2 003 O3 O4 sucesso erro Conversão D/A ou A/D: Oer1 deve ser %M0003, Oer2 %M0000, Oer3 conterá os 3 arâmetros editáveis: canal analógico (%M0000 ara o canal 0 ou %M0001 ara o canal 1), tio de conversão (%M0000 ara A/D e %M0001 ara D/A) e o oerando que vai armazenar resultado da conversão (Por ex. %M0000). Oer4 não é utilizado. habilita aut/man dir/rev CHF PID O1 O2 033 O3 O4 sucesso erro Controlador PID: Oer1 deve ser %M0005, Oer2 %M0000, Oer3 conterá os 5 arâmetros editáveis: tabela de memória com 16 osições contendo os arâmetros de controle (or ex. %M0000), valor medido da variável controlada (or ex. %M0000), valor do setoint (or ex. %M0001), memória onde será armazenado o valor calculado ara a variável maniulada (or ex. %M0002) e o octeto auxiliar que contém ontos de controle da função PID (or ex. %A0000). Oer4 não é utilizado. Observação: O uso da instrução CHF (chama módulo função) imlica a inclusão do resectivo módulo função (ANLOG, PID ou CON) no rojeto. Os módulos função que acomanham o Masterool são rogramados em linguagem de baixo nível não odendo ser lidos ara o rogramador e visualizados. Devem ser carregados diretamente do disco rígido ara o CLP. 8

9 abela 5 Parâmetros Adicionais do PID. 9