Controlador de Temperatura

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06/08/2018

Por Leonardo Leite

Como o nome indica, um controlador de temperatura é um instrumento usado para controlar temperaturas, principalmente sem envolvimento extenso do operador. Um controlador em um sistema de controlador de temperatura aceitará um sensor de temperatura, como um termopar ou RTD, como entrada e compara a temperatura real com a temperatura de controle desejada ou o ponto de ajuste. Em seguida, ele fornecerá uma saída para um elemento do controlador. 

Um bom exemplo seria uma aplicação em que o controlador recebe uma entrada de um sensor de temperatura e tem uma saída conectada a um elemento do controlador, como um aquecedor ou um ventilador. O controlador é geralmente, apenas uma parte de um sistema de controle de temperatura, e todo o sistema deve ser analisado e considerado na seleção, para que se tenha um controlador adequado.

Controlador On / Off

 

O controlador on-off é a forma mais simples de dispositivo de controle de temperatura. A saída do dispositivo está ligada ou desligada, sem estado intermediário. Um controlador liga-desliga irá alternar a saída somente quando a temperatura cruzar o ponto de ajuste. Para o controle de aquecimento, a saída é ligada quando a temperatura está abaixo do ponto de ajuste e é desativada acima do ponto de ajuste. Uma vez que a temperatura atravessa o ponto de ajuste para alterar o estado de saída, a temperatura do processo será contínua, passando de abaixo do ponto de ajuste para acima e de volta abaixo. Nos casos em que esta ciclagem ocorre rapidamente, e para evitar danos aos contatores e válvulas, um diferencial on-off, ou "histerese", é adicionado às operações do controlador. Este diferencial requer que a temperatura exceda o valor nominal em um determinado valor antes que a saída seja desligada ou ligada novamente. O diferencial do controlador on-off evita que a saída falhe ou faça comutações rápidas e contínuas se o ciclo acima e abaixo do ponto de ajuste ocorrer muito rapidamente. O controlador on-off geralmente é usado onde um controle preciso não é necessário, em sistemas que não podem lidar com a energia ligada e desligada com frequência, onde a massa do sistema é tão grande que as temperaturas mudam muito lentamente ou para um alarme de temperatura. Um tipo especial de controle on-off usado para alarme é um controlador de limite. Este controlador usa um relé de travamento, que deve ser reinicializado manualmente, e é usado para encerrar um processo quando uma determinada temperatura é atingida. O controlador on-off geralmente é usado onde um controle preciso não é necessário, em sistemas que não podem lidar com a energia ligada e desligada com frequência, onde a massa do sistema é tão grande que as temperaturas mudam muito lentamente ou para um alarme de temperatura. Um tipo especial de controlador on-off usado para alarme é um controlador de limite. Este controlador usa um relé de travamento, que deve ser reinicializado manualmente, e é usado para encerrar um processo quando uma determinada temperatura é atingida. 

Controle Proporcional

 

Os controles proporcionais são projetados para eliminar o ciclo associado ao controlador on-off. Um controlador proporcional diminui a potência média fornecida ao aquecedor à medida que a temperatura se aproxima do ponto de ajuste. Isso tem o efeito de desacelerar o aquecedor para que ele não ultrapasse o ponto de ajuste, mas se aproximará do ponto de ajuste e manterá uma temperatura estável. Essa ação de proporção pode ser realizada ligando e desligando a saída por curtos intervalos de tempo. Esta "proporção de tempo" varia a relação entre o tempo "ligado" e o tempo "desligado" para controlar a temperatura. A ação proporcional ocorre dentro de uma "banda proporcional" em torno da temperatura nominal. Fora desta faixa, o controlador funciona como uma unidade on-off, com a saída totalmente ligada (abaixo da banda) ou totalmente desligada (acima da banda). No entanto, dentro da banda, a saída é ligada e desligada na relação entre a diferença de medição e o ponto de ajuste. No setpoint (o ponto médio da banda proporcional), a relação output on: off é 1: 1; ou seja, o horário no horário e o horário de folga são iguais. se a temperatura estiver mais longe do ponto de ajuste, os tempos de ligar e desligar variam proporcionalmente à diferença de temperatura. Se a temperatura estiver abaixo do setpoint, a saída será mais longa; se a temperatura estiver muito alta, a saída será desligada por mais tempo. o tempo ligado e fora do horário são iguais. se a temperatura estiver mais longe do ponto de ajuste, os tempos de ligar e desligar variam proporcionalmente à diferença de temperatura. Se a temperatura estiver abaixo do setpoint, a saída será mais longa; se a temperatura estiver muito alta, a saída será desligada por mais tempo. o tempo ligado e fora do horário são iguais. se a temperatura estiver mais longe do ponto de ajuste, os tempos de ligar e desligar variam proporcionalmente à diferença de temperatura. Se a temperatura estiver abaixo do setpoint, a saída será mais longa; se a temperatura estiver muito alta, a saída será desligada por mais tempo. 

Controle PID

 

O terceiro tipo de controlador fornece proporcional com controle integral e derivativo, ou PID. Este controlador combina controle proporcional com dois ajustes adicionais, o que ajuda a unidade a compensar automaticamente as alterações no sistema. Esses ajustes, integral e derivativo, são expressos em unidades baseadas no tempo; eles também são referidos por seus recíprocos, RESET e RATE, respectivamente. Os termos proporcional, integral e derivativo devem ser ajustados individualmente ou "sintonizados" para um sistema particular usando tentativa e erro. Ele fornece o controle mais preciso e estável dos três tipos de controladores, e é melhor usado em sistemas que têm uma massa relativamente pequena, aqueles que reagem rapidamente a mudanças na energia adicionada ao processo. É recomendado em sistemas em que a carga muda com frequência e espera-se que o controlador compense automaticamente devido a mudanças frequentes no ponto de ajuste, a quantidade de energia disponível ou a massa a ser controlada. Você ainda pode encontrar controladores que se ajustam automaticamente, eles são conhecidos como controladores de auto tune. 

Entendo os termos PID

 

Para entender os termos do PID, usaremos como exemplo um carro.

O controlador On/Off simples poderia ser considerado como ligar o motor do carro, pressionando o acelerador, até atingir a velocidade desejada de 80 km/h, conforme indicado o velocímetro, em seguida, tomando o pé completamente fora do acelerador. Quando a velocidade cai abaixo de 80 km / h, o acelerador é novamente pressionado para o chão até atingir 80 km/h.

 

Comparação com o Termo Proporcional

Podemos usar a ação de pegar um carro parado e acelera-lo para 80 km/h, para explicar a o termo proporcional.

Pressionamos o pedal do acelerador, velocidade do veículo aumentará e, a uma determinada velocidade, abaixo de nossa velocidade alvo de 80 km/h, começaremos a desligar o pedal do acelerador para evitar que o carro ultrapasse a velocidade desejada. Este afrouxamento do pedal do acelerador pode ser comparado diretamente à entrada da banda proporcional ou à banda em relação à velocidade desejada. Se não olharmos para o velocímetro, certamente dirigiremos a uma velocidade que não é a desejada e resultará em erro.

 

Comparação com o Termo Integral

Se olharmos agora para o velocímetro, vemos que estamos com a velocidade desejada baixa e, usando esse feedback visual, corrigimos o erro e começamos a pressionar lentamente o pedal do acelerador. Como resultado, nossa velocidade aumenta lentamente para atingir a velocidade desejada de 80 km/h.

Este procedimento pode ser comparado ao tempo integral de um controlador PID.

 

Comparação com o Termo Derivativo

Estamos agora viajando no nosso Setpoint de 80 km/h e continuamos a manter essa velocidade através de feedback visual do velocímetro.

Se encontrarmos uma mudança repentina na inclinação da estrada, como uma colina, corrigimos a redução na velocidade que resultaria em pressionar o pedal do acelerador mais do que seria o caso da ligeira redução na velocidade que encontramos inicialmente. À medida que o declive da estrada se estabiliza novamente, diminuímos o pedal do acelerador mais do que seria o caso do ligeiro aumento na velocidade para evitar elevar nossa velocidade muito além da velocidade desejada.