Controle PID de temperatura utilizando pastilha Peltier para refrigeração

Abstract

Sistemas de controle de temperatura possuem ampla aplicação prática, sendo necessários em diversos processos industriais e na conservação de produtos perecíveis. Motivado por tais necessidades, o presente trabalho de conclusão de curso teve por objetivo desenvolver um protótipo microcontrolado para simulação de quatro tipos de ações de controle, visando a comparação do desempenho dos controladores em termos de tempo de acomodação e erro em regime permanente. Os controladores considerados foram o On/Off, P (proporcional), PI (proporcional-integral) e PID (proporcionalintegral- derivativo) e a sintonia dos controladores teve como base o método experimental de Ziegler-Nichols. O protótipo construído simula um reservatório, cuja temperatura interna é controlada através do acionamento de uma pastilha de efeito Peltier para refrigeração. O sistema de controle é implementado por meio de um circuito microcontrolador, responsável por coletar os sinais de medição de temperatura, calcular a ação de controle com base no erro atuante no sistema e aplicar a ação de controle através de um sinal do tipo PWM (Pulse Width Modulation) para acionamento da pastilha Peltier. Através de análise gráfica, foi possível avaliar as diferentes estratégias de controle listadas, os tempos de acomodação da resposta temporal do sistema e erros em regime permanente. Verificou-se que o controle do tipo On/Off mostra-se apropriado para aplicações que não exigem baixo erro em regime permanente. Já os controles do tipo P e PI apresentaram melhores resultados em relação ao erro em regime permanente, quando comparados ao controlador On/Off. Por último, o controlador PID apresentou desempenho adequado tanto do ponto de vista de sua resposta transitória quanto em regime permanente, com tempo de acomodação e erro em regime permanente satisfazendo valores pré-estabelecidos.

Temperature control systems have wide application, being applied in various industrial processes and conservation of perishable products. Motivated by such needs, this final paper purpose to develop a microcontrolled prototype for simulating four types of control systems, combining the drivers performance in terms of accommodation time and error in steady state. The drivers considered were On/Off, P (proportional), PI (proportional-integral) and PID (proportional-integral-derivative) and the drivers tuning was based on the experimental method of Ziegler-Nichols. The built prototype simulates a tank, whose internal temperature is controlled by the activation of a Peltier effect pellet for cooling. The control system is implemented through a microcontroller circuit, responsible for collecting the temperature measurement signals, calculating the control action based on the error acting in the system, and applying the control action through a PWM (Pulse Width Modulation) for driving the Peltier insert. Through graphical analysis, it was possible to evaluate how different control mechanisms classified, the accommodation times of the system's temporal response and steady-state errors. It was verified that the On/Off type control is suitable for applications where there is no low steady state error. The P and PI type controls had better results in relation to the steady state error, when compared to the On/Off controller. Finally, the PID controller presented adequate performance both from the point of view of its transient response and in steady state, with accommodation time and error in steady state satisfying pre-selected values.