Controlador PID Analógico para Controle de Velocidade de Motores DC

Olá pessoal,

Iniciarei, na sequência, um tutorial completo que irá envolver projetos de um sistemas de controle PID, mais conhecidos como sistemas de controle Proporcional-Integral-Derivativo.

O curso consistirá de uma introdução sobre controladores PID, dividindo-se em controladores de natureza analógica e também digital.

INTRODUÇÃO

Controladores PID são motivo de amor e ódio e divide opiniões entre engenheiros e pesquisadores. Há quem os ame e creia que qualquer aplicação seja passível de ser controlada por controladores PID e há também aqueles que apontam uma série de limitações inerentes a sua implementação e, principalmente, desempenho. Na minha condição de engenheiro de sistemas de controle, posso afirmar que ambos os lados têm suas razões. Controladores PID podem, desde que bem modelados, ser úteis em diversas tarefas mas também podem ser desastrosos dependendo de uma série de fatores pertinentes à sua aplicação. A verdade é que os muitos livros de teoria de controle clássico trazem alguns métodos de modelagem e sintonia de controladores PID (Ziegler-Nichols) e tais métodos são uma grande aproximação teórica do que deveria ser feito para se sintonizar adequadamente as parcelas P, I e D de um controlador. Na prática, não é bem assim.

Ferramentas computacionais e gráficas são bastante úteis, como é o caso do toolbox sisotool do Matlab. Entretanto, aplicações práticas estão sujeitas a inúmeras variáveis que influenciam diretamente o desempenho do sistema de controle, como inserção de ruídos, incertezas de modelagem e muitas outras.

Retornando ao cerne das aplicabilidades de um controlador PID, tive o prazer de conhecer pessoalmente e de conversar por longas horas com amigo e Eng. Peter Grauber, engenheiro responsável da divisão de sistemas de controle dos túneis de vento de testes dos ônibus espaciais da NASA, do Ames Research Center em San Francisco, Califórnia. Peter, na sua simplicidade e humildade me surpreendeu grandemente ao, dentre um café e outro, afirmar que um controlador PI é responsável efetuar os ajustes das válvulas, relés e circuitos de potência para controle dos imensos motores que “tocam” os enormes ventiladores que simulam o atrito entre a base dos ônibus espaciais e a atmosfera na reentrada. Na minha curiosidade, perguntei imediatamente: “Qual o método de sintonia que você utiliza para os ganhos P e I”. Esperando como resposta “2º. Método de Ziegler Nichols” ouvi, pronta e serenamente a seguinte resposta: “É tudo empírico, meu amigo! Não há método de sintonia que seja 100% satisfatório neste caso”.

Eu, Kleber Andrade, Naná (minha filha), Lica (minha filha), André Carmona e o Peter Grauber (NASA) em papo descontraído sobre churrasco brasileiro e controladores PID.

Pensei, “para onde foi o método de Ziegler-Nichols?”.

Portanto, meus amigos, embora a teoria de controle seja importante para o bom entendimento dos fenômenos intrínsecos à toda aplicação prática, nada como um bom experimento para se tomar a real noção das particularidades de cada uma delas.

E, como toda aplicação requer cuidado (e, acreditem, não é tão simples assim), seguirei este tutorial pela formulação do problema do sistema de controle de velocidade de um motor DC de pequeno porte.

Motores DC são sistemas dinâmicos extremante empregados em sistemas robóticos, como em juntas de garras robóticas, sistemas de tração de robôs móveis e também em sistemas de propulsão de veículos elétricos/híbridos e em robôs aéreos.

Assim, este tutorial é destinado a entusiastas, técnicos, estudantes e engenheiros. Espero que sirva como mola propulsora para muitos TCCs.

Parte I: Visão Geral do Motor DC BOSCH FPGA 0130821678

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Sobre Eng. MSc. Rafael Coronel

Projeto & Pesquisa de Sistemas Mecatrônicos e Robótica Móvel
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10 respostas para Controlador PID Analógico para Controle de Velocidade de Motores DC

  1. Rodrigo Luiz disse:

    Boa noite Rafael, estou fazendo um trabalho sobre controladores PID no controle de velocidades de motores e gostaria de saber quais sãos modelos mais comuns de mercado.

    • Olá Rodrigo,

      Grato pela visita e pelo contato.
      A resposta é: depende. Primeiramente, depende da sua aplicação. No mercado você encontrará desde servomotores os quais você pode facilmente modificar para uma configuração DC puro, há também os BOSCH com caixa de redução 73:1 (torque de 1Nm) e custo relativamente baixo, até motores MAXON de alto custo e alta performance.
      Se puder dar uma idéia do que está pensando em fazer, talvez eu tenha uma melhor idéia de como ajudá-lo na sua escolha.

      Um abraço!

      • Rodrigo Luiz disse:

        Na verdade é um pequeno trabalho em que preciso apresentar os modelos mais comuns de pid no controle de velocidades de motores…Muito obrigado….Parabéns pelo site , muito interessante…

  2. Sendo assim, aconselho motores DC Pitman. São baratos e fáceis de se encontrar.

    • Rodrigo Luiz disse:

      E quais são os modelos de pid mais comuns?

      • Essa pergunta não é tão comum. Na verdade não se trata de tipos de PID e sim de naturezas de controladores PID. Os controladores PID têm essencialmente duas naturezas: os analógicos e os digitais. Há, a partir dessas duas classes, os PID modificados, cujas equações você pode modificar (inserir polos e zeros convenientemente).
        Entretanto, há outras classes de controladores que são mesclados aos PID, como é o caso dos PID-Like Fuzzy. Há também redes neurais treinadas para a sintonia dos ganhos do PID. Há, ainda, algoritmos genéticos adaptativos para a sintonia dos mesmos. A gama é vasta. Basta pesquisar.

        Abraços!

  3. Rodrigo Luiz disse:

    Muito Obrigado Ajudou muito….

    Abraços!

    • Rodrigo Luiz disse:

      Rafael , eu gostaria de saber com são fabricados os Controladores PID?
      Abraços!

      • Controladores PID podem ser implementados digital ou analogicamente. O primeiro se faz implementando-se as equações de recorrência do PID discreto em microcontroladores/microprocessadores. O segundo pode ser obtido construindo-se circuitos a partir de componentes analógicos (resistores, capacitores e amplificadores operacionais). Ambos provêm uma ação de controle PID. Já a sintonia dos ganhos do PID, seja analógico ou digital, é feito empiricamente na prática.

    • Olá Rodrigo,

      Fico feliz em tê-lo ajudado!

      Abraços!

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