Analise Arranjo Estrutural Controladores Comerciais

Analise Arranjo Estrutural Controladores Comerciais

(Parte 1 de 8)

Monografia de conclusão do curso de Especialização em Automação Industrial do Departamento Acadêmico Eletrônica da Universidade Tecnológica Federal do Paraná apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Especialista em Automação Industrial.

Orientador: Prof. Dr. Sérgio Leandro Stebel

CURITIBA 2009

Esta Monografia foi julgada e aprovada como requisito parcial para a obtenção do grau de Especialista em Automação Industrial no Programa de Especialização em Automação Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

Curitiba, 10 de novembro de 2009

Prof. Dr Ségio Leandro Stebel Universidade Tecnológica Federal do Paraná Orientador

Prof. M.Sc. Guilherme Alceu Schneider Universidade Tecnológica Federal do Paraná

Prof. M.Sc. Simone Massulini Acosta Universidade Tecnológica Federal do Paraná

IWASSE, Felipe. Análise dos Arranjos Estruturais de Controladores Comerciais. 2009. 50 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de Pós-Graduação em Automação industrial, UTFPR, Curitiba.

Este trabalho tem por objetivo estudar as formas dos arranjos estruturais dos controladores comerciais. Comparando os resultados coletados a partir de uma simulação (via Matlab/Simulink) da aplicação de cada controlador comercial a um sistema térmico, sistema recomendado para melhor análise dos controladores. Cada controlador foi sintonizado conforme a sugestão dos manuais ou das literaturas de controle. A finalidade desse trabalho é mostrar a forma estrutural dos principais controladores comerciais. Essa análise servirá para melhor compreensão aos futuros Engenheiros de Controle e Automação quanto às diversas formas de aplicação do controlador PID, podendo melhorar o desempenho do processo fabril.

Palavras-Chaves:

PID Matlab/Simulink Controle

IWASSE, Felipe. Análise dos Arranjos Estruturais de Controladores Comerciais. 2009. 50 f. Monografia (Especialização em Automação Industrial) - Programa de Pós-Graduação em Automação industrial, UTFPR, Curitiba.

This research has the goal of studying the ways of the structural arrangements of the commercial controllers. Comparing the results collected from a simulation (by Matlab / Simulink) from an implementation of each commercial controller to a thermal system, recommended system for better analysis of the controllers. Each controller was syntonized according to the manual suggestion of the control literatures. The purpose of this research is to show the structural form of the main commercial controllers. This analysis will serve to a better understanding for futures Automation and Control Engineers about the several application of PID controller, which can improve the performance of the manufacturing process.

Key Words:

PID Matlab/Simulink Control

Figura 2.1 – Diagrama de Blocos da representação de um sistema em malha fechada1
Figura 2.2 – Diagrama de blocos do Controlador Proporcional aplicado em um sistema13
Figura 2.3 – Diagrama de blocos da representação do controlador a partir de um erro13
Figura 2.4 – Resposta do Controle Proporcional a partir de um erro14
Figura 2.5 – Diagrama de blocos do Controlador PI aplicado a um sistema15
Figura 2.6 – Diagrama de blocos do Controlador PI a partir de um erro16
Figura 2.7 – Resposta do Controle Proporcional Integral a partir do erro16
Figura 2.8 – Resposta do Controle Proporcional integral em malha fechada17
Figura 2.9 – Diagrama de blocos de um sistema com controlador PD em malha fechada19
Figura 2.10 – Diagrama de blocos do Controlador PD a partir de um erro19
Figura 2.1 – Resposta do Controle Proporcional Derivativo a partir de um erro20
Figura 2.12 – Resposta do Controle Proporcional Derivativo em malha fechada21
Figura 2.13 – Diagrama de blocos de um sistema com controlador PID em malha fechada2
Figura 2.14 – Resposta do Controle Proporcional Integral Derivativo em malha23
Figura 2.15 – Características da dinâmica de um processo25
Figura 2.16 – Oscilação da resposta do sistema26
Figura 2.17 – Resposta do processo de primeira ordem em malha aberta27
Figura 3.1 – Diagrama de blocos da equação do sistema3
Figura 3.2 – Diagrama de blocos da aplicação do controlador PID paralelo ideal36
Figura 3.3 – Desempenho da simulação do controlador PID paralelo ideal36
Figura 3.4 – Resposta dos parâmetros e desempenho do controlador PID paralelo ideal37
Figura 3.5 - Diagrama de blocos da aplicação do controlador PID em série38
Figura 3.6 - Desempenho da simulação do controlador PID em série39

LISTA DE FIGURAS Figura 3.7 – Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID em série. ............ 40

derivativo42

Figura 3.8 – Diagrama de blocos da aplicação do controlador PID paralelo ideal com filtro

derivativo, para 2N =43

Figura 3.9 – Desempenho da simulação do controlador PID paralelo ideal com filtro

com filtro derivativo, para 2N=43

Figura 3.10 – Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID paralelo ideal

derivativo, para 8N =4

Figura 3.1 - Desempenho da simulação do controlador PID paralelo ideal com filtro

com filtro derivativo, para 8N=45
Figura 3.13 -Detalhe da resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID
paralelo ideal com filtro derivativo, para 8N=45

Figura 3.12 - Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID paralelo ideal

derivativo, para 20N =46

Figura 3.14 – Desempenho da simulação do controlador PID paralelo ideal com filtro

com filtro derivativo, para 20N=47

Figura 3.15 – Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID paralelo ideal

paralelo ideal com filtro derivativo, para 20N=47
Figura 3.17 –Diagrama de blocos da aplicação do controlador PI-D com filtro derivativo49

Figura 3.16 - Detalhe da resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID

2N =50

Figura 3.18 – Desempenho da simulação do controlador PI-D com filtro derivativo, para

derivativo, para 2N =50

Figura 3.19 - Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PI-D com filtro

8N =51

Figura 3.20 – Desempenho da simulação do controlador PI-D com filtro derivativo, para

derivativo, para 8N =52

Figura 3.21 - Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PI-D com filtro

20N =53

Figura 3.23 - Resposta dos parâmetros e o desempenho PI-D com filtro derivativo, para

derivativo5

Figura 3.24 – Diagrama de blocos da aplicação do controlador PID em série com filtro

para 2N =5

Figura 3.25 – Desempenho da simulação do controlador PID em série com filtro derivativo,

filtro derivativo, para 2N =56

Figura 3.26 – Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID em série com

para 8N =57

Figura 3.27 – Desempenho da simulação do controlador PID em série com filtro derivativo,

filtro derivativo, para 8N =57

Figura 3.28 – Resposta dos parâmetros e o desempenho do controlador PID em série com

para 10N =58

Figura 3.29 – Desempenho da simulação do controlador PID em série com filtro derivativo,

Tabela 2.1 – Comparação das ações de controle de Controladores Convencionais12
Tabela 2.2 – Sintonia Z&N26
Tabela 2.3 – Sintonia Z&N27
Tabela 2.4 – Sintonia conforme o método de Cohen e Coon28
Tabela 2.5 – Constantes para cálculo da sintonia do PID para problema regulatório29
Tabela 2.6 – Constantes para cálculo da sintonia do PID para problema servo29
Tabela 2.7 – Sintonia pelo método CHR (Critério: sem sobre sinal e para problema servo)30
regulatório)31

Tabela 2.8 - Sintonia pelo método CHR (Critério: sem sobre sinal e para problema

servo)31

Tabela 2.9 - Sintonia pelo método CHR (Critério: com sobre sinal de 20% e para problema

BP Banda Proporcional C Cohen e Coon CHR Chien, Hrones e Reswick IAE Integral of Absolute value Error ITAE Integral Time of Absolute value Error P Proporcional PD Proporcional Derivativo PI Proporcional Integral PID Proporcional Integral Derivativo PV Variável Controlada SISO Single Input Single Output SP Set-point SS1 Sobre Sinal 1 SS2 Sobre Sinal 2 SS3 Sob Sinal 3 Z&N Zigler e Nichols

A Variável da sintonia da Integral do Erro B Variável da sintonia da Integral do Erro

C Variável da sintonia da Integral do Erro D Variável da sintonia da Integral do Erro E Variável da sintonia da Integral do Erro

()es Sinal do erro em função de “s”

()et Sinal do erro em função do tempo

F Variável da sintonia da Integral do Erro ()FDt Filtro derivativo em função do tempo

()FDs Transformada de Laplace do filtro derivativo

G Primeiro sobre-sinal Gp Função de transferência de um processo de primeira ordem

H Variação do processo J Segundo sobre-sinal Kd Ganho derivativo Ki Ganho integral Kp Ganho proporcional

Ku Último ganho calculado N Parâmetro do filtro derivativo

0P Polarização inicial Pu Ultimo período observado R Ângulo de inclinação s Variável Transformada de Laplace Ta Tempo de assentamento ou tempo de regime permanente Td Tempo derivativo Ti Tempo integral Ts Tempo de subida Tm Tempo morto ()us Sinal de saída do controlador em função de “s”

()ut Sinal de saída do controlador em função do tempo ()ys Saída do sistema em função de “s” λ Constante de tempo em malha fechada θ Constante de tempo em malha aberta

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