Atividade de Controle e Automação

PR1 Prática Atividade Prática Controle e Automação Tema Controle PID aplicado a processos industriais simulação com PID Loop Simulator Caroa alunoa Esta atividade tem como objetivo proporcionar uma experiência prática com um dos principais instrumentos de controle industrial o Controlador PID Proporcional Integral e Derivativo Você será desafiado a compreender como cada parâmetro do PID afeta o comportamento dinâmico de um processo utilizando para isso o simulador em Excel PID Loop Simulator Objetivos da atividade Compreender o funcionamento de um controlador PID Observar a resposta de um processo de primeira ordem com atraso FOTPD Comparar diferentes combinações de parâmetros PID e seu impacto no desempenho do sistema Elaborar um relatório técnico com registros e análise crítica dos resultados Instruções Baixe o simulador PID Loop Simulator no link abaixo Clique aqui para acessar o site oficial e fazer o download Abra o arquivo no Microsoft Excel não utilize o Google Planilhas Configure inicialmente o processo com Ganho 1 Lag Time 10 s Delay Time 2 s Escolha o modo de operação Closed Loop Altere os valores de Controller Gain Integral Time sec e Derivative Time sec em pelo menos 3 cenários diferentes Observe e registre o comportamento do sistema tempo de estabilização overshoot erro em regime permanente etc Capture a tela do gráfico com seu nome Entrega Você deverá elaborar um relatório em formato PDF contendo Breve introdução sobre controle PID Prints das 3 simulações com identificação Tabela com os parâmetros utilizados e resultados obtidos Respostas às questões reflexivas da atividade Discussão crítica sobre os ajustes e melhorias observadas Data de entrega Conforme calendário da disciplina na plataforma Dica Não deixe para a última hora A análise cuidadosa dos resultados ajuda na fixação dos conceitos Bons estudos e boa simulação Simulação de Cenários em Controle PID Nome Rogerio Silva Pereira Pinto O controlador ProporcionalIntegralDerivativo PID é um dos mecanismos de controle por realimentação mais comuns e eficazes utilizados em sistemas industriais e de automação Sua principal função é manter uma variável de processo como temperatura pressão ou velocidade em um valor desejado conhecido como setpoint Para isso o controlador PID calcula continuamente a diferença entre o valor medido da variável de processo e o setpoint um valor conhecido como erro A partir desse erro ele determina uma ação corretiva a ser aplicada ao sistema A grande vantagem do controle PID é sua capacidade de combinar três ações de controle distintas cada uma com uma função específica para otimizar a resposta do sistema Essas três ações são a Proporcional a Integral e a Derivativa A saída total do controlador é a soma das contribuições de cada uma dessas ações permitindo um ajuste fino e preciso do processo A correta sintonia dos parâmetros de cada ação é essencial para garantir a estabilidade e a eficiência do controle A Ação Proporcional P A ação proporcional ou ganho atua de forma diretamente proporcional ao erro atual Em outras palavras quanto maior a diferença entre o valor desejado e o valor medido maior será a ação de correção aplicada pelo controlador Essa ação proporciona uma resposta rápida às perturbações no sistema No entanto um controle puramente proporcional geralmente não consegue eliminar completamente o erro em regime estacionário resultando em um desvio permanente conhecido como offset Um ganho proporcional muito alto pode levar a oscilações e instabilidade no sistema enquanto um ganho muito baixo pode tornar o controle lento e ineficaz A Ação Integral I A ação integral tem como principal objetivo eliminar o erro de offset deixado pela ação proporcional Ela atua com base na acumulação do erro ao longo do tempo Enquanto houver um erro a ação integral continuará a aumentar ou diminuir a saída do controlador para forçar a variável de processo a atingir o setpoint A intensidade dessa ação é determinada pelo tempo integral Contudo a ação integral pode introduzir oscilações no sistema se não for bem ajustada pois ela continua a atuar mesmo quando o erro já foi corrigido devido ao seu histórico de erros acumulados A Ação Derivativa D A ação derivativa por sua vez atua com base na taxa de variação do erro Sua função é antecipar o comportamento futuro do erro proporcionando uma ação corretiva que se opõe a mudanças bruscas na variável de processo Isso ajuda a amortecer as oscilações e a estabilizar a resposta do sistema especialmente em processos com respostas rápidas A ação derivativa melhora a estabilidade e a velocidade de resposta do controlador No entanto ela não é utilizada sozinha pois não responde a erros constantes e é muito sensível a ruídos de medição o que pode levar a uma ação de controle errática Cenários de Simulação Cenário 1 Parâmetros Ganho do controlador 05 Tempo integral 2s Tempo Derivativo 2s MANIPULATRED Process Value 1 10 2 2 05 2 SP PV Set Point 2 Process Controller Σ VALUE Step Input Step Input Mode Controller Gain Integral Time sec Derivative Time sec Process Gain Lag seconds Delay seconds Process Value Open Loop Closed Loop Rogerio Silva Pereira Pinto CPF 19088038864 05 0 05 1 15 2 25 3 35 02 0 02 04 06 08 1 12 14 16 18 5 45 95 145 195 245 295 MANIPULATED VALUE SET POINT PROCESS VALUE Set Point Process Value Manipulated Value Cenário 2 Parâmetros Ganho do controlador 1 Tempo integral 5s Tempo Derivativo 05s MANIPULATRED Process Value 1 10 2 2 1 5 SP PV Set Point 05 Process Controller Σ VALUE Step Input Step Input Mode Controller Gain Integral Time sec Derivative Time sec Process Gain Lag seconds Delay seconds Process Value Open Loop Closed Loop Rogerio Silva Pereira Pinto CPF 19088038864 05 0 05 1 15 2 02 0 02 04 06 08 1 12 5 45 95 145 195 245 295 MANIPULATED VALUE SET POINT PROCESS VALUE Set Point Process Value Manipulated Value Cenário 3 Parâmetros Ganho do controlador 4 Tempo integral 05s Tempo Derivativo 5s MANIPULATRED Process Value 1 10 2 2 4 05 SP PV Set Point 5 Process Controller Σ VALUE Step Input Step Input Mode Controller Gain Integral Time sec Derivative Time sec Process Gain Lag seconds Delay seconds Process Value Open Loop Closed Loop Rogerio Silva Pereira Pinto CPF 19088038864 10 5 0 5 10 15 05 0 05 1 15 2 25 3 5 45 95 145 195 245 295 MANIPULATED VALUE SET POINT PROCESS VALUE Set Point Process Value Manipulated Value Análise do Comportamento do Sistema em Controle PID Parâmetro Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 Ganho do Controlador Kp 05 1 4 Tempo Integral Ti 2s 5s 05s Tempo Derivativo Td 2s 05s 5s Tempo de Estabilização Aprox 180s 80s 200s Overshoot Aprox 40 15 150 Erro em Regime Permanente Zero Zero Zero Análise de Desempenho por Cenário Cenário 1 Neste cenário com um ganho proporcional baixo 05 a resposta do sistema é relativamente lenta e apresenta um overshoot significativo de aproximadamente 40 A ação integral com um tempo de 2s consegue eliminar o erro em regime permanente mas as oscilações são evidentes e demoram a amortecer levando a um tempo de estabilização longo em torno de 180 segundos A ação derivativa ajuda a amortecer as oscilações mas a combinação de parâmetros não se mostra otimizada resultando em um sistema com resposta lenta e oscilatória Cenário 2 No segundo cenário o ganho do controlador foi dobrado para 1 o que tornou a resposta do sistema consideravelmente mais rápida O overshoot foi reduzido para cerca de 15 indicando uma melhora na estabilidade O tempo integral mais longo 5s tornou a ação integral menos agressiva contribuindo para a redução das oscilações enquanto o tempo derivativo menor 05s foi adequado para a nova dinâmica do sistema O tempo de estabilização foi o menor entre os três cenários aproximadamente 80 segundos De modo geral este cenário apresenta a melhor performance com uma resposta rápida overshoot controlado e boa estabilidade Cenário 3 O terceiro cenário demonstra um sistema com um comportamento altamente instável O ganho do controlador muito elevado 4 provoca uma resposta extremamente agressiva resultando em um overshoot massivo de aproximadamente 150 O tempo integral muito baixo 05s torna a ação integral muito forte o que amplifica as oscilações de forma considerável Apesar do tempo derivativo alto 5s na tentativa de amortecer o sistema a combinação dos outros dois parâmetros é tão agressiva que o sistema oscila violentamente antes de eventualmente estabilizar em torno de 200 segundos Este ajuste é inadequado para o processo pois pode causar desgaste excessivo nos atuadores e comprometer a qualidade do produto Simulação de Cenários em Controle PID Nome Rogerio Silva Pereira Pinto O controlador ProporcionalIntegralDerivativo PID é um dos mecanismos de controle por realimentação mais comuns e eficazes utilizados em sistemas industriais e de automação Sua principal função é manter uma variável de processo como temperatura pressão ou velocidade em um valor desejado conhecido como setpoint Para isso o controlador PID calcula continuamente a diferença entre o valor medido da variável de processo e o setpoint um valor conhecido como erro A partir desse erro ele determina uma ação corretiva a ser aplicada ao sistema A grande vantagem do controle PID é sua capacidade de combinar três ações de controle distintas cada uma com uma função específica para otimizar a resposta do sistema Essas três ações são a Proporcional a Integral e a Derivativa A saída total do controlador é a soma das contribuições de cada uma dessas ações permitindo um ajuste fino e preciso do processo A correta sintonia dos parâmetros de cada ação é essencial para garantir a estabilidade e a eficiência do controle A Ação Proporcional P A ação proporcional ou ganho atua de forma diretamente proporcional ao erro atual Em outras palavras quanto maior a diferença entre o valor desejado e o valor medido maior será a ação de correção aplicada pelo controlador Essa ação proporciona uma resposta rápida às perturbações no sistema No entanto um controle puramente proporcional geralmente não consegue eliminar completamente o erro em regime estacionário resultando em um desvio permanente conhecido como offset Um ganho proporcional muito alto pode levar a oscilações e instabilidade no sistema enquanto um ganho muito baixo pode tornar o controle lento e ineficaz A Ação Integral I A ação integral tem como principal objetivo eliminar o erro de offset deixado pela ação proporcional Ela atua com base na acumulação do erro ao longo do tempo Enquanto houver um erro a ação integral continuará a aumentar ou diminuir a saída do controlador para forçar a variável de processo a atingir o setpoint A intensidade dessa ação é determinada pelo tempo integral Contudo a ação integral pode introduzir oscilações no sistema se não for bem ajustada pois ela continua a atuar mesmo quando o erro já foi corrigido devido ao seu histórico de erros acumulados A Ação Derivativa D A ação derivativa por sua vez atua com base na taxa de variação do erro Sua função é antecipar o comportamento futuro do erro proporcionando uma ação corretiva que se opõe a mudanças bruscas na variável de processo Isso ajuda a amortecer as oscilações e a estabilizar a resposta do sistema especialmente em processos com respostas rápidas A ação derivativa melhora a estabilidade e a velocidade de resposta do controlador No entanto ela não é utilizada sozinha pois não responde a erros constantes e é muito sensível a ruídos de medição o que pode levar a uma ação de controle errática Cenários de Simulação Cenário 1 MANIPULATRED Process Value 1 10 2 2 05 2 SP PV Set Point 2 P r oc ess C on t r ol l er Σ VALUE Step Input Step Input Mode Controller Gain I ntegral Time sec Derivative Time sec Process Gain Lag seconds Delay seconds Process Value Open Loop Closed Loop Parâmetros Ganho do controlador 05 Tempo integral 2s Tempo Derivativo 2s Rogerio Silva Pereira Pinto CPF 19088038864 05 0 05 1 15 2 25 3 35 02 0 02 04 06 08 1 12 14 16 18 5 45 95 145 195 245 295 MANIPULATED VALUE SET POINT PROCESS VALUE S et P o in t P r o c ess V al ue Man ipul a t ed V al ue Cenário 2 MANIPULATRED Process Value 1 10 2 2 1 5 SP PV Set Point 05 P r oc ess C on t r ol l er Σ VALUE Step Input Step Input Mode Controller Gain I ntegral Time sec Derivative Time sec Process Gain Lag seconds Delay seconds Process Value Open Loop Closed Loop Parâmetros Ganho do controlador 1 Tempo integral 5s Tempo Derivativo 05s Rogerio Silva Pereira Pinto CPF 19088038864 05 0 05 1 15 2 02 0 02 04 06 08 1 12 5 45 95 145 195 245 295 MANIPULATED VALUE SET POINT PROCESS VALUE S et P o in t P r o c ess V al ue Man ipul a t ed V al ue Cenário 3 MANIPULATRED Process Value 1 10 2 2 4 05 SP PV Set Point 5 P r oc ess C on t r ol l er Σ VALUE Step Input Step Input Mode Controller Gain I ntegral Time sec Derivative Time sec Process Gain Lag seconds Delay seconds Process Value Open Loop Closed Loop Parâmetros Ganho do controlador 4 Tempo integral 05s Tempo Derivativo 5s Rogerio Silva Pereira Pinto CPF 19088038864 10 5 0 5 10 15 05 0 05 1 15 2 25 3 5 45 95 145 195 245 295 MANIPULATED VALUE SET POINT PROCESS VALUE S et P o in t P r o c ess V al ue Man ipul a t ed V al ue Análise do Comportamento do Sistema em Controle PID Parâmetro Cenário 1 Cenário 2 Cenário 3 Ganho do Controlador Kp 05 1 4 Tempo Integral Ti 2s 5s 05s Tempo Derivativo Td 2s 05s 5s Tempo de Estabilização Aprox 180s 80s 200s Overshoot Aprox 40 15 150 Erro em Regime Permanente Zero Zero Zero Análise de Desempenho por Cenário Cenário 1 Neste cenário com um ganho proporcional baixo 05 a resposta do sistema é relativamente lenta e apresenta um overshoot significativo de aproximadamente 40 A ação integral com um tempo de 2s consegue eliminar o erro em regime permanente mas as oscilações são evidentes e demoram a amortecer levando a um tempo de estabilização longo em torno de 180 segundos A ação derivativa ajuda a amortecer as oscilações mas a combinação de parâmetros não se mostra otimizada resultando em um sistema com resposta lenta e oscilatória Cenário 2 No segundo cenário o ganho do controlador foi dobrado para 1 o que tornou a resposta do sistema consideravelmente mais rápida O overshoot foi reduzido para cerca de 15 indicando uma melhora na estabilidade O tempo integral mais longo 5s tornou a ação integral menos agressiva contribuindo para a redução das oscilações enquanto o tempo derivativo menor 05s foi adequado para a nova dinâmica do sistema O tempo de estabilização foi o menor entre os três cenários aproximadamente 80 segundos De modo geral este cenário apresenta a melhor performance com uma resposta rápida overshoot controlado e boa estabilidade Cenário 3 O terceiro cenário demonstra um sistema com um comportamento altamente instável O ganho do controlador muito elevado 4 provoca uma resposta extremamente agressiva resultando em um overshoot massivo de aproximadamente 150 O tempo integral muito baixo 05s torna a ação integral muito forte o que amplifica as oscilações de forma considerável Apesar do tempo derivativo alto 5s na tentativa de amortecer o sistema a combinação dos outros dois parâmetros é tão agressiva que o sistema oscila violentamente antes de eventualmente estabilizar em torno de 200 segundos Este ajuste é inadequado para o processo pois pode causar desgaste excessivo nos atuadores e comprometer a qualidade do produto