Abordagem flexível, robusta e estruturada para o projeto de controladores PID multivariáveis

Abstract

O rápido avanço industrial, em resposta às exigências de mercado e ao desenvolvimento tecnológico, levou a um aumento na complexidade dos processos modernos, aumentando não apenas o nível de interação entre as variáveis do processo, como também o número de malhas de controle necessárias para manter as condições desejadas de operação e a qualidade dos produtos obtidos. Apesar desse cenário e do desenvolvimento de novas técnicas, a grande maioria das malhas de controle industriais não funcionam de forma satisfatória. Visando atender as exigências e necessidades deste contexto, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia genérica para o projeto de controladores estruturados de baixa ordem do tipo PID, com elevado caráter prático e flexibilidade. Nesse contexto, o controlador PID é fatorado em blocos, permitindo levar em consideração as distintas formas nas quais a ação derivativa é implementada nos sistemas comerciais. A metodologia proposta permite a seleção do desempenho para o sistema que é então aproximado no domínio da freqüência para um controlador de estrutura e ordem selecionado pelo projetista. Foram propostas alternativas no sentido de sistematizar todo o procedimento de projeto. A partir do desenvolvimento de um estudo de caso capaz de gerar comportamentos dinâmicos representativos separados em classes, foram feitas diversas análises no sentido de verificar a potencialidade e as limitações da metodologia proposta. A metodologia foi integrada a uma ferramenta existente desenvolvida em Matlab® com interface amigável, possibilitando a qualquer profissional da área de controle de processos a exploração, em todas as dimensões, do problema de projeto global de controle, abrangendo a escolha da estrutura e projeto do controlador propriamente dito. Para processos mais complexos, foi desenvolvida uma metodologia alternativa através da sua caracterização por um conjunto de modelos lineares representativos de diferentes pontos operacionais, levando a um compromisso entre desempenho e robustez estabelecido por um único controlador PID.

The fast industrial progress, in response to the market demands and to the technological development caused an increased complexity of the modern processes, promoting not just an increased of the interaction level among the variables of the process, as well as the number of necessary control loops to maintain the conditions of the desired operations and the quality of the obtained products. Aiming to attend the demands and needs in this context, in this work, a generic methodology was developed for the design of structured low order controllers, with high practical character and flexibility. In that development, the PID controller was considered as a basis, due to its simplicity and capacity of providing a satisfactory performance for a great variety of processes. In that context, the PID controller is factored into blocks, allowing taking in consideration the different forms in which the derivative action is implemented in the commercial systems. The proposed methodology allows the selection of the desired closed-loop performance for the system that is then approximated in the frequency domain for a controller with structure and order selected by the designer. Alternatives were proposed in the sense of systematizing the whole project procedure. Starting from the development of a case study capable of generating representative dynamic behaviors, separated in classes, they were made several analyses in the sense of verifying the potentiality and the limitations of the proposal methodology. The whole methodology was integrated into an existent tool developed in Matlab® with a friendly interface providing to any professional in the area of control of processes the exploration, in all the dimensions, of the problem of global control design, embracing the choice of the structure and the controller's design. For more complex processes, an alternative methodology was developed through its characterization by a set of representative linear models at different operating points. thus taking to a compromise among performance and robustness established by only one PID controller.