Estudo de alternativas para o ajuste de controladores PID utilizando métodos baseados em dados

Abstract

Controladores PID são amplamente utilizados no controle de processos industriais. Estes controladores precisam necessariamente ser ajustados adequadamente a fim de garantir a correta operação do processo controlado. A fim de suprir esta necessidade surgiram os chamados métodos de ajuste para controladores PID, inicialmente propostos por John Ziegler e Nathaniel B. Nichols em 1942. Desde então muitos outros métodos de ajuste baseados nas idéias de Ziegler e Nichols foram propostos, surgindo assim uma família de métodos afins. Em vista da simplicidade de implementação e do consequente baixo custo computacional envolvido, estes métodos mostraram-se adequados para serem incorporados ao firmware de controladores PID industriais de baixo custo. Estes métodos acabaram por gerar um legado tal que sua utilização persiste intensamente até os dias de hoje. No entanto, frente à crescente oferta de microcontroladores de baixo custo e alto desempenho, o custo computacional de um método de ajuste vem perdendo relevância. Isso abre margem para explorar outros métodos que proporcionem melhor desempenho e robustez, mas, por ventura, demandem mais recursos computacionais. Dessa forma, este trabalho propõe-se a avaliar métodos alternativos que sejam compatíveis com os recursos computacionais atuais. Métodos com maior custo computacional, como o Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT), Iterative Feedback Tuning (IFT) e Iterative Correlation-based Tuning (ICbT), são apresentados como candidatos para serem incorporados ao firmware de controladores PID industriais. Tratam-se de métodos diretos de ajuste baseado em dados onde os parâmetros do controlador são determinados de forma que o comportamento do sistema em malha fechada seja tal que minimize um critério de desempenho definido a priori. Através deste critério de desempenho pode-se definir o comportamento desejado para o sistema em malha fechada. Neste trabalho são analisadas as principais características destes métodos, resultados obtidos e custo computacional. Com base nos resultados desta análise é mostrado que os métodos VRFT, IFT e ICbT podem ser utilizados como alternativa para o ajuste (incorporado ao firmware) de controladores PID industriais.

PID controllers are widely used in industrial process control. These controllers must necessarily be properly tuned to ensure the correct operation of the controlled process. In order to meet this need, the so-called tuning methods for PID controllers have emerged, initially proposed by John Ziegler and Nathaniel B. Nichols in 1942. Since then many other controller design methods based on the ideas of Ziegler and Nichols have been proposed, giving rise to a family of related methods. Given the simplicity of implementation and the low computational effort involved, these methods are suitable to be incorporated into the firmware of low cost industrial PID controllers. These methods have generated such a legacy that its use remains intense until the present day. However, with the growing offer of low cost and high performance microcontrollers, the computational effort of a tuning method is becoming less important. This opens up scope for exploring other methods that provide better performance and robustness, possibly at the cost of demanding more computational resources. This study aims to evaluate alternative methods that are compatible with current computational resources. Methods with higher computational effort, such as Virtual Reference Feedback Tuning (VRFT), Iterative Feedback Tuning (IFT) and Iterative Correlation based Tuning (ICbT) are presented as candidates to be incorporated into the firmware of industrial PID controllers. These are direct data-based methods for the adjustment of controllers where the parameters are determined such that the behavior of the closed-loop system is such as to minimize a performance criterion defined a priori. Through this performance criterion one can specify the desired behavior for the closed-loop system. This work analyzes the main characteristics of these methods, results and computational effort. Based on the results of this analysis it is shown that the methods VRFT, IFT and ICbT can be used as an alternative to the adjustment (build into the firmware) of industrial PID controllers.