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Como controlar, por exemplo, a velocidade de um motor para que em regime de operação ele forneça sempre uma determinada rotação, independentemente da carga a ele acoplado? Ou, como podemos garantir que em um processo a temperatura de um material esteja independente de fatores externos a 250ºC ? Vamos abordar, neste artigo, um tema amplamente utilizado em todas as áreas onde precisamos de um controle realmente preciso de uma determinada grandeza física, o controle PID.

Existem basicamente dois tipos de natureza de controle: os auto-operados e os operados por alguma energia externa.

Entre os auto-operados podemos citar o mais conhecido entre eles, o controle de nível por bóia, esse que existe em qualquer caixa d’ água de nossas residências (figura 1).



Seu princípio de funcionamento é muito simples: quando o nível do reservatório está baixo a bóia não está acionada, fazendo com isso que o fluxo de água passe pela tubulação. Então, o nível de água vai subindo até que esta aciona a bóia cortando o fluxo de água. Eis uma forma clássica de controle de nível empregada desde a antigüidade até os dias de hoje.

Já os controladores baseados em energia externa podem ser dos tipos:

• Controlador pneumático;
• Controlador hidráulico;
• Controlador elétrico ou eletrônico.

Resumindo o funcionamento deles, temos que uma grandeza precisa ser controlada (temperatura, nível, pressão, vazão, pH, velocidade, posição,...). Para manter essa grandeza sob controle precisamos de algumas informações:
• Valor desejado – Set-Point (SP);
• Valor real ou valor do processo (PV);
• Algoritmo de controle.

Com base nessas informações, o controlador compara o valor desejado (SP) com o valor do processo (PV) e determina, com base no algoritmo de controle, o valor de correção na saída do controlador para que o valor do processo (PV) se aproxime do valor desejado (SP), conforme ilustra a figura 2.



Existem alguns algoritmos de controle que veremos com maiores detalhes, os quais podem operar individualmente ou trabalhar em conjunto, conforme a precisão esperada do controle e também conforme o processo:

• Controle ON-OFF;
• Controle com ação proporcional (P);
• Controle com ação integral (I);
• Controle com ação derivativa (D).

Controle ON - OFF

É também conhecido com o o controle de “duas posições”, ou controle “liga e desliga”. O sinal de saída tem apenas duas posições que vão de um extremo ao outro, podendo ser: válvula aberta ou válvula fechada, resistência ligada ou resistência desligada, compressor ligado ou compressor desligado. Analisemos pela figura 3 um controlador ON-OFF. Neste exemplo temos um ambiente com temperatura controlada: o valor desejado de temperatura é dado pelo SP, o valor atual de temperatura (PV) é medido por um sensor de temperatura (por exemplo, um termopar), a função do controlador é a de chavear a resistência tendo como parâmetro o valor de temperatura fornecido pelo sensor de modo que mantenha a temperatura no valor determinado pelo SP dentro do ambiente.



Vejamos agora, na figura 4, que no instante 1 a temperatura tende a ficar abaixo do SP, nesse instante a resistência R é ligada através do relé K1 com a função de elevar a temperatura até o valor do SP, porém, devido à característica do processo a temperaturacontinua em queda durante algum tempo, antes de manifestar tendência ascendente.



O uso do controle ON-OFF é ideal em aplicações onde a variável a ser controlada possui um tempo de resposta lento. Alguns exemplos de controle ON-OFF:
• Estufas;
• Ar-condicionado;
• Ferro de passar roupa;
• Refrigeração de motores a combustão, entre outros.


Controle Proporcional (P)

Em processos que requerem um controle mais suave que aquele fornecido pelo controlador ON-OFF, pode ser empregado o controle proporcional (P).

O controle proporcional fornece uma relação linear fixa entre o valor da variável controlada e o valor que o atuador de controle pode fornecer. Para ilustrar a ação de um controle proporcional, verifiquemos a figura 5. Este é um processo em que a temperatura de operação pode variar de 50ºC a 550ºC. O elemento controlador tem um raio de ação que fornece ao processo uma faixa de temperatura que vai de 150ºC a 450ºC. O ponto central é 300ºC com uma faixa de controle de ±150ºC. Quando a temperatura está em 150ºC ou menos, o elemento controlador é todo aber to. Quando a temperatura está entre 150ºC e 450ºC, o elemento controlador movimenta-se para uma posição que é proporcional ao valor da grandeza controlada. A 225ºC o elemento controlador está 75% aberto, a 300ºC está 50% aberto, a 375ºC está 25% aber to e a 450ºC ou mais o elemento controlador está 0% aberto, isto é, completamente fechado.



Com isso temos que a faixa de valores é de 300ºC, porém, esse número expressa uma porcentagem da faixa total de excursão da temperatura, que é de 500ºC (50ºC até 550ºC), portanto temos que a faixa proporcional expressa 300ºC/500ºC, ou 60% de todo o alcance da escala.

Outra maneira de explicarmos o comportamento desse controlador é através do seu Ganho, que é a relação entre a porcentagem de variação do elemento controlador pela variação proporcional da grandeza. Assim temos:

Ganho = (% de variação do elemento controlador) / (% de variação da grandeza controlada)

No nosso exemplo, o ganho seria de:

(100% no elemento controlador) / (60% de variação na grandeza) = 1,66.

Podemos dizer então, que:

Faixa proporcional = (100/Ganho)

Pensando eletronicamente, podemos visualizar um Controle Proporcional na figura 6, onde temos um circuito subtrator com Amplificadores Operacionais, no qual, calculamos primeiramente o erro entre o SP e o PV, e depois vem um amplificador onde amplificamos o erro para corrigir o valor PV alterado pelo processo. Nessa mesma figura podemos imaginar a seguinte situação: temos que controlar a velocidade de um motor e partiremos do princípio de que o motor está rodando na velocidade determinada pelo SP.



• Uma alteração na carga do motor implicará em uma variação da rotação e, conseqüentemente, em uma variação do valor do PV que, por exemplo, está sendo gerado por um tacogerador;

• Essa variação implicará em uma alteração de tensão na saída do subtrator, fazendo com que o circuito tente corrigir esse distúrbio alterando a tensão de saída que está acionando o motor;

• A alteração é proporcional ao erro e dada pelo ganho do circuito amplificador (R 1/R2).

Porém, quando o circuito se estabiliza ele não se estabiliza no set-point (SP), e sim em um valor fora dele que é chamado de off-set (figura 7). Esse erro é uma característica do circuito proporcional e é maior quanto menor for o ganho do circuito, tornando-se menor à medida que aumentamos o ganho. Em contrapartida, quando aumentamos o ganho aumenta-se também a possibilidade de oscilações na variável do processo, portanto, esse é um parâmetro que deve ser muito bem otimizado no controlador.



Para a correção desse off set existem em alguns controladores industriais um reajuste manual que soma ou subtrai do valor de saída um valor correspondente à eliminação do off-set (no nosso exemplo da figura 6 o ajuste manual soma ou subtrai tensão).

Controle Integral (I)

Quando se tem um sistema onde utilizamos um controlador proporcional, nas alterações da carga o reajuste do off-set deve ser feito de forma automática, e não manualmente como citado acima.

Integrando-se o valor do erro no tempo obtemos esse reajuste; na prática o controle integral é utilizado em conjunto com o controle proporcional formando o controle proporcional - integral, o PI, conforme mostram os gráficos da figura 8.



Podemos entender mais claramente visualizando um circuito eletrônico onde foi implementada uma ação proporcional com a ação integral. Observe as figuras 9 e 10.