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Stop the Madness: O método de ajuste do controlador Zeigler-Nichols

engenheiro de sala de controle de planta

Se você é um engenheiro de controles ou de processo, então provavelmente já passou mais tempo do que você gostaria de admitir loops PID de sintonia, eu certamente tenho! Estremeço-me lembrando de alguns dos diferentes métodos que tentei - uma mistura de procedimentos de adivinhação e teste passados ​​ou recolhidos de um trabalho para outro. Felizmente, fui apresentado a técnicas adequadas antes de danificar qualquer coisa ... ou qualquer outra pessoa!

Mais frequentemente, o Controle de Processo é ensinado na universidade como parte do currículo de Engenharia Química. Enquanto a maioria dos engenheiros se forma em outro nível, como Elétrica ou Mecânica, uma boa parte desses mesmos alunos acaba encontrando um controlador PID. Esse curso de controle pode fazer um mundo de diferença, pois pode delinear uma série de métodos para realizar testes efetivos, calcular um modelo de processo e ajustar para um objetivo de controle específico. Esses métodos tendem a ser muito calculados e não focados no processo do mundo real. Uma abordagem que sempre me parece peculiar é Zeigler-Nichols (ZN).

É curioso como o método ZN aparece rotineiramente nas discussões entre os engenheiros de processo, como se fosse sua abordagem para praticamente todos os loops. Por boas razões - algumas muito óbvias - não deve ser o método direto, não importa quão simples sejam os passos que os resultados raramente são bons o suficiente. Considere estas três razões (3) a respeito de porque é esse o caso:

  • Desafio de decaimento do trimestre
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    Mais frequentemente do que não os profissionais referem-se ao método ZN em termos de seu resultado objetivo - ¼ decadência. Essencialmente, o método ZN começa com overshoot, o que significa que aceita overshoot como ponto de partida. Só então procura reduzir o nível de overshoot, diminuindo em 25% a cada ciclo.

    Para muitos processos, o overshoot simplesmente não é aceitável. Como um exemplo: considere processos de biorreatores onde os organismos cultivados são suscetíveis a picos significativos de temperatura. O ZN não cumpre o requisito de rejeição de distúrbios associados a esses e outros processos sensíveis. Muitas vezes tenho visto a decadência do trimestre em uma resposta de processo: Já não é bom o suficiente, pois qualquer overshoot está desperdiçando uma combinação de energia, tempo e materiais e desperdiça cada resposta, não importa quão pequena!
zeigler nichols control guru

A tendência acima mostra a duplicação repetida do ganho de controlador do loop, de modo a induzir oscilações que, eventualmente, limitam a instabilidade. Essa abordagem de tentativa e erro pode ser dispendiosa.

  • Custos de tentativa e erro
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    Ao calcular os parâmetros do modelo usando ZN, é necessário primeiro identificar o ponto de inflexão ao longo de uma curva de resposta. Usando esse ponto, uma linha tangente representando a inclinação máxima da Variável do Processo é usada para estimar o valor do Ganho do Processo (KP). Então o ganho de controlador associado (KC) deve ser aumentado metodicamente de forma a induzir um comportamento oscilatório quase instável.

    Dado o atual estado da arte com processo e software, parece contraintuitivo que os profissionais devam confiar em uma prática de tentativa e erro como essa. Quando um método define a expectativa de que várias tentativas devem ser esperadas, é quando um técnico ou engenheiro deve começar a pesquisar outras opções. Isso deve ser especialmente verdadeiro quando processos lentos estão envolvidos, pois tentativas e erros podem ser caros
  • Instabilidade ou insanidade
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    Vamos revisitar esse último - para sintonizar um loop, o método ZN direciona os profissionais a levar seus processos ao limite da instabilidade. Com uma compreensão do ponto de inflexão entre a estabilidade e a instabilidade, esses mesmos profissionais devem ajustar o valor do KP para que as oscilações diminuam de forma constante e o processo eventualmente atinja um estado estacionário.

    Deixe-me simplesmente perguntar: o que poderia dar errado? Embora o método busque estabelecer o ponto de ruptura entre um processo estável e um instável, colocar em risco um processo - ou mesmo a planta inteira - não é uma prática aceitável. O que pode dar errado vai e… Normalmente faz! Deixar um processo fora de seu ponto de inflexão da estabilidade precisa de uma boa justificativa e compreensão de onde ele se encontra no processo como um todo, não apenas porque ele estava "no método".

Faça uma pesquisa rápida na Internet para artigos sobre o ZN e você provavelmente descobrirá que a maioria começa com avisos. Não aplique o método ZN se o processo tende a oscilar quando o loop é operado em manual. Não aplique o método ZN para loops de temperatura ou outros que possam ser considerados instáveis. Não aplique ZN se o elemento de controle final associado estiver sujeito a Stiction. O que você provavelmente não encontrará é um artigo defendendo o uso do ZN. A tentativa de aplicar um método que eleve tantas bandeiras vermelhas deve ser usada com extrema cautela, com uma compreensão e consideração de seus impactos.

Em posts anteriores eu escrevi sobre a importância de bons dados ao sintonizar PIDs e eu esbocei um método simples e repetitivo para ajustar PIDs. Antes de você danificar alguma coisa - ou alguém - considere esta abordagem!

Damien Munroe

http://www.controlstation.com

Damien empresta uma visão de controle de processo e automação que nasceu de suas experiências em aviação militar, petróleo e gás offshore, fábricas de precisão e fabricação de semicondutores. Sua educação no

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