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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38246| Título: | Avaliação de métodos de sintonia de parâmetros de controlador PID para módulo didático de controle de temperatura de água |
| Título(s) alternativo(s): | Evaluation of PID controller parameter tuning methods for water temperature control teaching module |
| Autor(es): | Kerber, Emily Aparecida |
| Orientador(es): | Bertoldo, Guilherme |
| Palavras-chave: | Controladores PID Modelagem de sistemas Permutadores térmicos PID controllers Heat exchangers |
| Data do documento: | 30-Jun-2025 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Francisco Beltrao |
| Citação: | KERBER, Emily Aparecida. Avaliação de métodos de sintonia de parâmetros de controlador PID para módulo didático de controle de temperatura de água. 2025. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Francisco Beltrão, 2025. |
| Resumo: | Este trabalho tem como objetivo aplicar e avaliar diferentes métodos de sintonização de controladores PID em um módulo didático de controle de temperatura de água, utilizado como ferramenta de ensino e simulação de processos térmicos industriais. O sistema térmico é constituído por um reservatório com um ebulidor elétrico de 1000 W, sensor DS18B20 para medição da temperatura e sistema de controle baseado em microcontrolador, com interface de aquisição e comando via software. A metodologia consistiu na obtenção da resposta ao degrau, seguida da extração dos parâmetros dinâmicos do processo (ganho estático, tempo morto e constante de tempo) com ajuste das curvas realizado no software Gnuplot. Os parâmetros identificados foram utilizados na aplicação de três métodos clássicos de sintonia de controladores PID: Ziegler-Nichols (resposta ao degrau), Integral do Erro Absoluto Mínimo (IAE) e Cohen-Coon. A análise de desempenho foi conduzida com base na métrica da Integral do Erro Absoluto em malha fechada, para os setpoints de 60 °C, 70 °C, 80 °C e 90 °C. Os resultados mostraram que o método do IAE mínimo apresentou, em média, uma redução de 8% na IAE em relação ao Ziegler-Nichols, destacando-se nos setpoints de 70 °C e 90 °C. O método de Cohen-Coon apresentou desempenho 22% melhor que o método de Ziegler-Nichols em 60 °C, porém com maior instabilidade e erro nos demais setpoints. O método de Ziegler-Nichols apresentou desempenho intermediário, servindo como base comparativa. Os resultados evidenciam que não há um método universalmente superior, sendo a escolha da sintonia dependente das características dinâmicas do processo térmico. O método baseado na minimização da IAE mostrou-se mais equilibrado quanto à estabilidade, tempo de resposta e minimização do erro, sendo mais indicado para processos com resposta lenta e maior sensibilidade a perturbações. A pesquisa reforça a importância da modelagem precisa e da análise criteriosa de desempenho para o desenvolvimento de estratégias de controle eficientes, especialmente no contexto da Engenharia Química, em que estabilidade e tempo de resposta são fatores críticos para a segurança, a eficiência e a qualidade operacional. |
| Abstract: | This work aims to apply and evaluate different PID controller tuning methods in a water temperature control module, used as a teaching and simulation tool for industrial thermal processes. The thermal system consists of a tank with a 1000W electric boiler, a DS18B20 temperature sensor, and a microcontroller-based control system with a software-based acquisition and control interface. The methodology consisted of obtaining the step response, followed by extracting the dynamic process parameters (static gain, dead time, and time constant), with curve fitting performed in Gnuplot software. The identified parameters were used to apply three classic PID controller tuning methods: Ziegler-Nichols (step response), Integral Absolute Error (IAE), and Cohen-Coon. Performance analysis was conducted using the Integral Absolute Error (IAE) metric in closed loop for the 60°C, 70°C, 80°C, and 90°C setpoints. The results showed that the minimum IAE method presented, on average, an 8% reduction in IAE compared to the Ziegler-Nichols, with particular emphasis on the 70°C and 90°C setpoints. The Cohen-Coon method performed 22% better than the Ziegler-Nichols method at 60°C, but with greater instability and error at the other setpoints. The Ziegler-Nichols method presented intermediate performance and served as a basis for comparison. The results show that there is no universally superior method, with the choice of tuning dependent on the dynamic characteristics of the thermal process. The method based on IAE minimization proved to be more balanced in terms of stability, response time, and error minimization, being more suitable for processes with slow response and greater sensitivity to disturbances. The research reinforces the importance of accurate modeling and careful performance analysis for the development of efficient control strategies, especially in the context of Chemical Engineering, where stability and response time are critical factors for safety, efficiency, and operational quality. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38246 |
| Aparece nas coleções: | FB - Engenharia Química |
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