Sistemas de controle linear usam feedback negativo para produzir um sinal de controle para manter o PV controlado no SP desejado. Existem vários tipos de sistemas de controle linear com diferentes capacidades.
Controle proporcionalEditar
, onde ζ {\\i1}displaystyle {\i}
é a relação de amortecimento e ω n {\i1}displaystyle {\i}
é a frequência natural não amortecida.
Controle proporcional é um tipo de sistema de controle de realimentação linear no qual uma correção é aplicada à variável controlada que é proporcional à diferença entre o valor desejado (SP) e o valor medido (PV). Dois exemplos mecânicos clássicos são a válvula dosadora de flutuador do vaso sanitário e o regulador de bola-mosca.
O sistema de controle proporcional é mais complexo que um sistema de controle on-off, mas mais simples que um sistema de controle proporcional-integral-derivado (PID) usado, por exemplo, em um controle de cruzeiro de automóvel. O controle on-off funcionará para sistemas que não requerem alta precisão ou capacidade de resposta, mas não é eficaz para correções e respostas rápidas e oportunas. O controle proporcional supera isso ao modular a variável manipulada (MV), como uma válvula de controle, em um nível de ganho que evita a instabilidade, mas aplica a correção o mais rápido possível, aplicando a quantidade ideal de correção proporcional.
Um inconveniente do controle proporcional é que ele não pode eliminar o erro SP-PV residual, pois requer um erro para gerar uma saída proporcional. Um controlador PI pode ser usado para superar isso. O controlador PI usa um termo proporcional (P) para remover o erro bruto, e um termo integral (I) para eliminar o erro de offset residual integrando o erro ao longo do tempo.
Em alguns sistemas existem limites práticos para o alcance da VM. Por exemplo, um aquecedor tem um limite para a quantidade de calor que pode produzir e uma válvula só pode abrir até agora. Ajustes no ganho simultaneamente alteram a faixa de valores de erro sobre a qual a MT está entre esses limites. A largura desta faixa, em unidades da variável de erro e portanto da PV, é chamada de faixa proporcional (PB).
Exemplo de fornoEditar
Ao controlar a temperatura de um forno industrial, geralmente é melhor controlar a abertura da válvula de combustível em proporção às necessidades atuais do forno. Isto ajuda a evitar choques térmicos e aplica o calor de forma mais eficaz.
A baixos ganhos, apenas uma pequena acção correctiva é aplicada quando são detectados erros. O sistema pode ser seguro e estável, mas pode ser lento em resposta à mudança das condições. Os erros permanecerão não corrigidos por períodos de tempo relativamente longos e o sistema está sobre-amortecido. Se o ganho proporcional for aumentado, tais sistemas tornam-se mais ágeis e os erros são tratados mais rapidamente. Há um valor ótimo para a configuração de ganho quando se diz que o sistema em geral está gravemente úmido. Aumentos no ganho do loop para além deste ponto levam a oscilações na PV e tal sistema é subamortecido. O ajuste do ganho para alcançar um comportamento criticamente amortecido é conhecido como ajuste do sistema de controle.
No caso de amortecimento insuficiente, o forno aquece rapidamente. Uma vez atingido o setpoint, o calor armazenado dentro do subsistema de aquecimento e nas paredes do forno manterá a temperatura medida subindo além do necessário. Após a elevação acima do ponto de ajuste, a temperatura cai novamente e, eventualmente, o calor é aplicado novamente. Qualquer atraso no reaquecimento do subsistema do aquecedor permite que a temperatura do forno caia ainda mais abaixo do setpoint e o ciclo se repita. As oscilações de temperatura que um sistema de controle de forno mal amortecido produz são indesejáveis.
Em um sistema criticamente amortecido, à medida que a temperatura se aproxima do setpoint, a entrada de calor começa a ser reduzida, a taxa de aquecimento do forno tem tempo para diminuir e o sistema evita o excesso de calor. O overdhoot também é evitado em um sistema com excesso de umidade, mas um sistema com excesso de umidade é desnecessariamente lento para alcançar o setpoint inicialmente responder a mudanças externas no sistema, por exemplo, abrir a porta do forno.
Controle PIDEditar
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Controladores proporcionais puros devem operar com erro residual no sistema. Embora os controladores PI eliminem esse erro, eles ainda podem ser lentos ou produzir oscilações. O controlador PID resolve essas falhas finais introduzindo uma ação derivada (D) para manter a estabilidade enquanto a resposta é melhorada.
Ação derivadaEditar
A derivada está preocupada com a taxa de mudança do erro com o tempo: Se a variável medida se aproxima rapidamente do setpoint, então o atuador é recuado antecipadamente para permitir que ele se afaste rapidamente do setpoint; inversamente, se o valor medido começa a se afastar rapidamente do setpoint, um esforço extra é aplicado – na proporção dessa rapidez para ajudar a movê-lo de volta.
Em sistemas de controle envolvendo controle de movimento de um item pesado como uma arma ou câmera em um veículo em movimento, a ação derivada de um controlador PID bem ajustado pode permitir que ele alcance e mantenha um setpoint melhor do que a maioria dos operadores humanos habilidosos. Se a ação derivada for aplicada em excesso, ela pode, entretanto, levar a oscilações.
Ação integralEditar
O termo integral amplia o efeito de erros de estado estável a longo prazo, aplicando um esforço sempre crescente até que o erro seja removido. No exemplo do forno acima trabalhando a várias temperaturas, se o calor aplicado não levar o forno ao setpoint, por qualquer razão, a ação integral move cada vez mais a banda proporcional em relação ao setpoint até que o erro PV seja reduzido a zero e o setpoint seja alcançado.
Rampa acima % por minutoEditar
Alguns controladores incluem a opção de limitar a “rampa acima % por minuto”. Esta opção pode ser muito útil na estabilização de pequenas caldeiras (3 MBTUH), especialmente durante o verão, durante cargas leves. Uma caldeira utilitária “unidade pode ser necessária para alterar a carga a uma taxa de até 5% por minuto (IEA Coal Online – 2, 2007)”.
Outras técnicasEditar
É possível filtrar o PV ou sinal de erro. Isso pode ajudar a reduzir a instabilidade ou oscilações, reduzindo a resposta do sistema a frequências indesejáveis. Muitos sistemas têm uma frequência ressonante. Ao filtrar essa frequência, um feedback global mais forte pode ser aplicado antes da oscilação ocorrer, tornando o sistema mais responsivo sem se abalar.
Sistemas de feedback podem ser combinados. No controle em cascata, um loop de controle aplica algoritmos de controle a uma variável medida em relação a um setpoint, mas depois fornece um setpoint variável a outro loop de controle, ao invés de afetar diretamente as variáveis do processo. Se um sistema tem várias variáveis medidas diferentes a serem controladas, sistemas de controle separados estarão presentes para cada uma delas.
A engenharia de controle em muitas aplicações produz sistemas de controle que são mais complexos do que o controle PID. Exemplos de tais aplicações de campos sistemas de controle de aeronaves, plantas químicas e refinarias de petróleo. Os sistemas de controle preditivo de modelos são projetados usando software especializado de desenho assistido por computador e modelos matemáticos empíricos do sistema a ser controlado.