Enquadramento histórico do controlador PID

No ano 1935 Ralph Clarridge da Taylor Instruments Companies desenvolveu o controlador de três termos que antecipava a variação do sinal de erro para resolver o problema de oscilação de uma malha do controlo de temperatura numa indústria de celulose. Chamaram-lhe inicialmente per-cat. A acção derivativa foi testada apenas em casos especiais até o ano 1939, quando surge uma versão totalmente reformulada do controlador PID fulscope que foi proposto como padrão de sistemas de controlo na empresa. No mesmo ano a Foxboro Instrument Company lança o controlador pneumático Stabilog, que possuía a tecnologia hyper-reset, baseada na derivada do sinal do erro.

O controlador PID demonstrou a sua importância em algumas aplicações consideradas difíceis, mas continuava com dificuldades de afirmação no mercado. Existia ainda uma

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grande dificuldade de difusão nos processos industriais. Os três motivos para este efeito são:

 a não contemplação da controlabilidade no projecto das unidades industriais.  A complexidade e fragilidade dos elementos actuadores na época.

 a inexistência de regras simples para sintonia dos parâmetros do controlador PID.

O motivo mais importante é o último porque continua a ter impacto no uso do controlador, ao contrário dos dois primeiros problemas que foram ultrapassados e não se tratavam de problemas do controlador. Passados alguns anos surge a primeira tentativa bem sucedida para a resolução deste problema. Em 1942, como artigo “Optimum

Settings for Automatic Controllers”, de autoria de J. G. Ziegler e N. B. Nichols, ambos

da Taylor Instrument Companies. Neste artigo foram apresentados dois procedimentos utilizando regras simples de sintonia dos parâmetros dos controladores baseadas nas características das dinâmicas do processo. Este artigo marca um ponto de evolução para o controlador PID. A partir do momento da divulgação destas regras de sintonia, começa a propagação do seu uso, que leva outros investigadores a interessarem-se pelo assunto e a desenvolverem novos métodos de ajuste a partir das ideias originais. Um dado interessante é que Nichols era do departamento de pesquisa da empresa. Por outro lado Ziegler pertencia ao departamento de vendas. Já naquela época era importante, obter regras de sintonia simples para impulsionar a utilização do controlador PID.

No ano 1948, é desenvolvido o método do lugar das raízes por W. R. Evans, que desenvolveu o método para o controlo e orientação de aeronaves. Este método é hoje ainda utilizado no projecto e análise da estabilidade de sistemas de controlo, pois fornece uma representação gráfica das propriedades de um determinado sistema baseado nas raízes da equação característica do sistema.

A 12 de Março de 1959, entrou em funcionamento o primeiro sistema de controlo auxiliado por computador numa unidade industrial. Na época foi utilizado o computador

RW-300 para efectuar o controlo numa unidade de polimerização catalítica da Texaco de

Port Arthur, no Texas, Estados Unidos. O sistema de controlo era complexo, tendo sido obtido de um pormenorizado estudo realizado por um grupo de engenheiros da Texaco

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trabalhando em conjunto com engenheiros da empresa aeroespacial TRW (Thomson

Ramo Woodridge).

Em 1961, é instalado o primeiro robô industrial, apelidado Unimate, da Unimation Inc., resultado da combinação de mecanismos articulados e a tecnologia de controlo desenvolvida em máquinas industriais, com comando numérico.

A partir da década de 60, devido à evolução computacional, surgem rápidos desenvolvimentos de novas tecnologias de controlo. Surge então o Preditor de Smith, controlo preditivo, controlo adaptativo, lógica difusa (Fuzzy Logic), escalonamento do ganho (gain scheduling), sintonia automática, redes neuronais, controlo robusto, controlo óptimo, entre muitos outros tipos de controlo.

Mormente os inúmeros estudos sobre o controlador PID, devido a possuir: simplicidade, versatilidade e capacidade de promover boas respostas para a grande maioria dos processos industriais, não faz com que este seja usado adequadamente na prática, apresentando muitas vezes um desempenho inferior ao desejado. Numa investigação realizada em diversas fábricas de papel e celulose no Canadá, publicada por Åström e Hägglund (1995) constatou-se que:

 uma indústria típica nesse estudo tem uma média de 2000 malhas de controlo, nas quais mais de 97% utiliza o controlador PI.

 Apenas 20% das malhas de controlo respondiam satisfatoriamente, diminuindo a instabilidade do processo.

 Em 30% dos casos, a sintonia dos parâmetros do controlador era mal efectuada. Em 30%, existiam problemas nas válvulas de controlo.

 Os 20% restantes apresentavam problemas diversos.

 A mesma fonte apresenta resultados de outras pesquisas similares que apontam que em 30% dos casos, o controlador trabalhava manualmente, 20% utilizavam os valores de origem implementados pelo fabricante e 30% apresentaram problemas nas válvulas e nos sensores.

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Ocorre então a seguinte questão: Porque é um controlador PID, simples, antigo,

bastante estudado, e o mais utilizado no mundo, não estava a funcionar satisfatoriamente na maioria das aplicações industriais?

Fonseca et al. (2004) citam alguns motivos:

 Problemas no processo e variações na dinâmica do mesmo (tempo morto, constante de tempo, etc.).

 Dificuldades do controlo (não linearidades, interacções entre as malhas, perturbações e ruídos).

 Estratégias incompatíveis no controlo com as necessidades do processo e objectivos de controlo.

 Dimensionamento impróprio dos elementos da malha de controlo.

 Erros na implementação dos controladores PID, principalmente quando são utilizados controladores programáveis.

 Instalação mal efectuada de instrumentos e actuadores.

 Desgaste dos actuadores (histerese, folga, bloqueio de válvulas).  Sintonia inadequada dos parâmetros do controlador.

 Problemas de manutenção dos elementos da malha de controlo.  Restrições e problemas operacionais.

Aos problemas citados acrescenta-se, a existência de diferentes parametrizações para o algoritmo de controlo PID. Alguns destes problemas continuam a ser um desafio e mostram que ainda há espaço para o desenvolvimento de tecnologia dirigida para melhorar o desempenho de malhas de controlo com a utilização do controlador PID. Segundo Isaksson e Graebe, (1999), a literatura mostra que o estado da arte em técnicas de projecto de controladores PID está bem avançada, porém somente no que se refere a sistemas de baixa ordem (até segunda ordem). Para sistemas mais complexos, ou quando se deseja um nível de desempenho maior, mantendo a robustez, ainda não há uma metodologia genérica e eficiente que supra todas as imperfeições apresentadas anteriormente e que envolva uma ampla gama de processos industriais.

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