Lucas Alpi

Analista de Suporte Técnico

História

Na indústria, por volta do século XVIII, controladores eram utilizados com realimentação mecânica para controle do processo. Geralmente eles reuniam apenas duas ações do conjunto Proporcional, Integral e Derivativo, mas nunca as três. Naquela época, controlavam a velocidade de acionamento de motores a vapor para proporcionar maior estabilidade no funcionamento de máquinas industriais.

Em 1911, o empreendedor e inventor Elmer Sperry criou o controle PID (Proporcional - Integral - Derivativo), que une as três ações. Sperry desenvolveu este controle para a Marinha dos Estados Unidos com objetivo de automatizar a direção dos navios, a fim de imitar o comportamento de um timoneiro, capaz de compensar variâncias persistentes e prever variações futuras em alto mar. Alguns anos após a criação, o engenheiro Nicolas Minorsky publicou a primeira análise teórica deste controle, descrevendo o comportamento em uma equação matemática que até hoje serve como base do cálculo.

Relevância

Atualmente, no ramo empresarial a eficiência é medida em diferentes processos e de várias maneiras. Cada setor possui metas, indicadores e resultados; em cima disso é realizado o controle para obter resultados e buscar a melhor eficiência na utilização de recursos. Para o sistema de produção de uma indústria operar explorando seus limites dentro de um padrão de utilização aceitável, são empregados malhas e algoritmos de controle. 

Os controles PID, mesmo com dispositivos mais avançadas disponíveis, são os mais utilizados em malhas de processos nos dias de hoje (BAZANELLA, 2005), como por exemplo: empresas petroquímicas, de celulose, laticínios ou tratamento de água, entre outras. O fato deste controle, quando bem configurado (modo manual), conseguir antecipar, diminuir e inclusive eliminar ruídos o torna desejável. A configuração manual dos parâmetros PID por vezes exige expertise e embasamento teórico prévio de quem opera para encontrar o melhor controle para o seu processo. Segundo Aström; Hägglund (1995), estimativas apontam que cerca de 90% das malhas de controle em processos industriais operam com este controlador.

Teoria

Conhecemos o sistema a ser controlado na indústria como planta ou processo; o sinal aplicado na entrada do processo como sinal de controle ou variável manipulada (MV); e o sinal de saída do processo como variável controlada ou variável de processo (PV). Para alcançar a máxima eficiência da planta, é utilizado um controlador na entrada do processo, que recebe a referência de entrada ou setpoint (SP), e garante a estabilidade do sinal de saída.

Em sistemas com realimentação da saída, é formado um laço no processo. - esta disposição é chamada de malha-fechada. No sistema de malha-fechada o controlador recebe constantemente a diferença entre o SP e o valor real da PV. Esta diferença é chamada de Erro e, com base nela, o equipamento gera um sinal de controle para diminuir o erro a um valor muito pequeno ou nulo (OGATA, 1982), independente se há sinal de perturbação no processo ou não. O controle em malha-fechada proporciona ganhos como aumento da precisão do sistema de controle, rejeição dos efeitos de perturbação sobre PV e diminuição da variação mediante instabilidades (aumenta robustez).

O controle PID une as ações Proporcional, Integral e Derivativo para gerar um só sinal de controle, onde cada ação possui uma forte característica que auxilia no controle da saída. A ação Proporcional faz com que o sistema reaja ao erro presente, possibilitando uma ação imediata diante de variações ou perturbações; a ação Integral elimina erros em regime permanente - em longo prazo - do tipo salto ou degrau, e a ação Derivativa antecipa o comportamento do processo (BAZANELLA, 2005). 

Ação Proporcional (Kp)

Existe um limite máximo e mínimo para aplicação do sinal de MV por motivos de restrição de ordem física e segurança: esta faixa de operação é chamada de Banda Proporcional. Se o sinal de controle opera fora dos limites diz-se que está saturado e opera com comportamento não linear. Quanto maior for o valor da ação Proporcional, menor será a Banda Proporcional e maior a energia de controle. Isto faz com que o sistema responda com maior agilidade, mas o sinal de saída pode ultrapassar ou ficar abaixo do setpoint em regime permanente, e o erro nunca será anulado completamente.

Ação Integral (Ti)

Quando a ação Integral é aplicada de forma isolada, piora a estabilidade relativa do sistema, porém, quando utilizada juntamente com a ação Proporcional, ajuda a anular o erro em regime permanente. Quanto maior o valor da Integral mais tempo leva para o sistema alcança o setpoint em regime permanente.