Controle Digital

Os controladores, que originalmente processavam sinais analógicos por meio de dispositivos mecânicos, pneumáticos ou eletrônicos, hoje são quase na totalidade implementados em meio digital. Neste cenário, os sinais passam a ser amostrados e as equações matemáticas se transformam em instruções com cálculos aproximados executados por um microprocessador. Por isso são requeridas considerações especiais para o projeto.

No mercado industrial, os principais dispositivos utilizados para o controle de processos são os controladores digitais dedicados (single loop’s), os controladores lógicos programáveis (CLP’s), os sistemas digitais de controle distribuído (SDCD’s) e os computadores industriais. Todos são dispositivos microprocessados capazes de implementar pelo menos a função de um PID.

No projeto de controladores em ambiente digital, duas abordagens podem ser usadas. A primeira é utilizar a teoria de controle digital, onde desde o início do projeto, os sinais são tratados como discretos e a função de transferência do processo e do controlador utiliza o domínio Z ao invés do domínio S, de Laplace. As ferramentas de análise tais como Lugar das Raízes, Diagrama de Bode, também são próprias para este domínio. Uma segunda abordagem, adotada aqui, conduz o projeto de maneira clássica (no domínio s). O controlador digital é obtido, ao final, como uma aproximação da versão analógica e critérios serão discutidos para avaliar a validade desta aproximação.

A Figura abaixo mostra o esquema de um controle retroalimentado onde o controlador é implementado num sistema digital. O sinal na saída do controlador MV(k), de natureza discreta, é convertido para um sinal analógico MV(t) e enviado ao processo. No elo de retroalimentação, o sinal da variável controlada PV(t), analógico, é convertido para um sinal discreto e usado pelo controlador no cálculo da próxima ação de controle.  Este ciclo se repete continuamente, com sucessivas conversões entre sinais analógicos e digitais. A conversão de um ambiente para outro é feito por meio de conversores A/D e D/A.

Vantagens do controle digital:

• Não há mudança no funcionamento do controlador devido à degradação de componentes internos;
• Facilidade para modificar a estratégia de controle, necessitando apenas a reprogramação do sistema;
• Menor custo de implementação e manutenção, visto que com um único hardware é possível implementar diversas malhas de controle.

O uso de um controlador digital, no entanto, requer alguns cuidados, visto que seu uso envolve a conversão e o processamento de sinais digitais:

• Erro de quantização associado à resolução do conversor A/D e D/A;
• Acréscimo no tempo morto relacionado ao transporte e processamento dos sinais;
• Falseamento (“aliasing”) causado por ruído de medição associado com um tempo de amostragem limitado;
• Erro de aproximação no cálculo digital da ação integral e ação derivativa.

Cada um destes itens será estudado nas seções seguintes. Depois será apresentado o algoritmo do PID digital industrial.