Vou tentar expandir um pouco da minha experiência para aqueles que possam estar interessados. Acho que o problema é que temos muita teoria de controle que é um tanto inacessível (e às vezes não é útil) e, em seguida, temos regras práticas que fazem suposições sobre sistemas que geralmente são imprecisos.
Estabilidade
Vamos falar primeiro sobre por que os loops de controle se tornam instáveis. Para esta discussão, assumirei um sistema linear. Informalmente, isso significa que se o seu sinal de controle é uma onda senoidal em uma determinada frequência, sua saída observada está na mesma frequência e se você alterar a amplitude do seu sistema de controle, sua saída responde na mesma proporção. Essa suposição é uma boa aproximação para muitos sistemas do mundo real e permite observar isoladamente diferentes frequências.
Se você observar o caminho de controle, terá um ponto de ajuste, seu controlador PID, seu sistema (aka "Plant") e, em seguida, seu sensor. Imagine um ponto de ajuste fixo e uma onda senoidal do seu sensor (isso é igual a uma perturbação do mundo real no sensor, realimentada). Em um sistema instável, seu feedback faz com que o loop de controle amplifique o erro, em vez de reduzi-lo, de modo que, à medida que o tempo aumenta, sua amplitude aumenta. A razão pela qual isso ocorre é devido a um atraso ou, para essa frequência específica, uma mudança de fase entre a entrada e a saída. Para uma dada frequência, podemos observar o deslocamento e a amplitude do circuito aberto (ou seja, sem feedback) e, quando desenhamos todos aqueles em um gráfico, obtemos algo como um gráfico de Bode. Se temos uma situação neste gráfico de malha aberta em que o erro continua sendo amplificado, temos um sistema instável. Se o atraso for menor que 1/2 do comprimento de onda ou o ganho for menor que x1, o sistema permanecerá estável . Na prática, queremos uma margem a partir desse ponto (margem de ganho e margem de fase) e é por isso que você verá isso "recuando" em muitos dos métodos manuais / heurísticos.
O principal problema com esses métodos manuais é que você está voando às cegas e está praticamente garantido para obter um sistema de controle ruim.
Lembre-se também de que o significado P, I e D está relacionado ao que seu sensor está medindo e a qual controle você está aplicando. Um erro comum em controladores construídos em casa é que as pessoas pensem que estão aplicando P quando na verdade não estão. Os controladores de motor geralmente têm um loop de posição, passando por um loop de velocidade, passando por um loop de torque. (Uma cascata )
OK, mas como isso nos ajuda?
O primeiro ponto que eu gostaria de destacar é que, se você estiver construindo seu próprio controlador PID, também deve criar uma maneira de medir a resposta de loop aberto. Faça uma varredura de frequência na entrada do seu controlador e meça a saída do sensor com o feedback desconectado. Em seguida, você pode desenhar o gráfico Bode de loop aberto e ver por que seu sistema é estável e pode trocar os vários controles. Também é útil medir a resposta do loop fechado e você pode fazer isso com qualquer sistema fazendo uma varredura de frequência do seu ponto de ajuste enquanto o loop está fechado. Ambos não são tão difíceis e não exigem muito conhecimento teórico.
Se você estiver simplesmente ajustando os controles sem entender o que está acontecendo sob o capô, não poderá otimizar seu sistema. Construir alguma intuição sobre esses sistemas não é tão difícil. Por exemplo, o ganho proporcional não afeta a fase, mas simplesmente aumenta o ganho de malha aberta em todas as frequências. Então, o que você está fazendo quando aumenta o ganho proporcional em todos esses métodos de ajuste manual é encontrar a frequência em que a fase vai para -180. Veja isso para ter mais uma idéia do impacto dos vários controles na sua resposta de frequência.
Muitas vezes, obter o melhor desempenho do circuito fechado envolve ajustar o sistema e não apenas os ganhos do controlador. O que você deseja é tornar o sistema o mais "rígido" possível. Isso permitirá aumentar os parâmetros de controle e obter a melhor largura de banda de malha aberta e fechada. Na minha experiência em aplicações de controle motor, o ganho proporcional é aquele que deveria estar fazendo a maior parte do "trabalho" e o integrador o "descanso". Eu não acho que você precise de um termo D. Ter um filtro passa-baixo e um filtro de entalhe ajuda muito em situações em que você pode ter alguma ressonância mecânica, mas configurá-los sem um Gráfico de Bode é muito difícil (a frequência de oscilação observada no circuito fechado pode ser diferente da malha aberta).
Se a segurança é uma preocupação (motores muito potentes ou um sistema que pode ser destruído pelo motor fora de controle), você precisa colocar alguns limites antes de iniciar o ajuste (por exemplo, limite de corrente, erro máximo de posição) para proteger o sistema. Então você precisa ter algum tipo de percepção do alcance dos parâmetros. Se o seu feedback tiver 40 contagens por rotação ou 4000 contagens por rotação, seus parâmetros serão um fator de 100 para um determinado sistema. Minha abordagem seria primeiro encontrar um intervalo em que você tenha pouca capacidade de controle e, a partir daí, começar com P e depois eu (embora novamente você esteja voando às cegas). Recuar cria essa margem de estabilidade.
Além do circuito fechado
O loop fechado tenta remover o erro do sistema. Sempre terá um desempenho um pouco limitado. O que você deseja fazer é minimizar o erro que seu controlador de loop fechado vê e uma maneira de fazer isso é através de uma técnica chamada feed forward. No feed-forward, você percorre o controlador e aciona um comando diretamente no sistema. Um exemplo disso seria o feed-forward da aceleração. Se você sabe que o torque do motor é constante e conhece a carga, é possível saber a quantidade de corrente necessária para obter uma certa aceleração da carga. Você simplesmente pega a aceleração da entrada de comando, multiplica-a por uma constante e a adiciona ao comando de unidade do controlador. Você está basicamente fazendo o que seria necessário para conduzir o sistema se não houvesse um controlador e, quanto mais próximo você pudesse obter, menos erro seu loop levaria e melhor o desempenho do sistema. Faz uma enorme diferença na prática.
