Desde su aparición, los controladores de proceso se han aplicado a una amplia gama de labores industriales, facilitando el trabajo e integrándose con otras tecnologías, siendo además uno de los elementos centrales para hablar de automatización. En este artículo nos abocamos a los Controladores PID, cuyo uso se ha mantenido a través del tiempo gracias a las acciones que son capaces de ejecutar para controlar un proceso.

El nacimiento de controladores PID se remonta a las primeras décadas del siglo pasado, donde los primeros esfuerzos estaban orientados a producir sistemas de dirección automática para buques mercantes y donde la constante era corregir errores en el rumbo para seguir una ruta deseada. Esa observación sería la base para el nacimiento de una amplia gama de controladores PID capaces de analizar distintas variables y ejecutar acciones para alcanzar un desempeño deseable. En este artículo abordamos este tipo de dispositivos. 

¿Qué es un controlador PID?

Un controlador o regulador PID es un dispositivo que permite controlar un proceso para que alcance el estado de salida deseado. Recordemos en este punto que todo proceso tiene entradas y salidas.  A modo de ejemplo, si tenemos un controlador para el trabajo con hornos industriales, esto podría quedar expresado así:

Medición de la temperatura actual (sensor)  Análisis y accionamiento para subir o bajar temperatura (controlador)    Temperatura obtenida (sensor)

El controlador PID está compuesto de tres elementos que proporcionan una acción Proporcional, Integral y Derivativa. Estas tres acciones son las que dan nombre al controlador PID.

Señal de referencia y señal de error

Se denomina señal de referencia, al estado que se desea conseguir en la salida de un sistema o proceso.  En un sistema de control de temperatura por ejemplo, la referencia será la temperatura deseada o ideal para un horno, y la salida será la temperatura real que tienen los hornos controlados. Dado que es altamente probable que los hornos no tengan exactamente la temperatura deseada, existe una tercera variable, la señal de error, la cual indica al controlador la diferencia que existe entre la temperatura que se quiere conseguir o referencia r(t) y el estado real del sistema medido por el sensor, señal h(t).

Si al realizar esta comparación se verifica que la señal de error es importante, significa que el estado del sistema se encuentra lejos del estado de referencia deseado. Si por el contrario el error es pequeño, significa que el sistema ha alcanzado el estado deseado.

Acción de control Proporcional

Como su nombre indica, esta acción de control es proporcional a la señal de error.  Internamente la acción proporcional multiplica la señal de error por una constante e intenta minimizar el error del sistema. Cuando el error es grande, la acción de control es grande y tiende a minimizar este error.

Aumentar la acción proporcional tiene efectos deseables, tales como aumentar la velocidad de respuesta y disminuir el error del proceso, pero también tiene el efecto negativo de aumentar la inestabilidad del sistema, razón por la cual esta acción debe buscar un punto de equilibrio en el que se consiga suficiente rapidez de respuesta del sistema y reducción del error, sin que el sistema sea demasiado inestable.

Acción de control Derivativa

Como su nombre indica, esta acción de control es proporcional a la derivada de la señal de error, o dicho de otra forma, a la velocidad del error. Cuando el sistema o proceso que estamos controlando se mueve a una velocidad alta hacia el punto deseado (o valor de referencia), el sistema se pasará de largo debido a su inercia, produciendo sobre-impulsos  y oscilaciones.  Por ejemplo, si la temperatura de un horno está a 120 °C en circunstancias que la temperatura deseada es de 25 °C, el controlador tomará acciones para subir rápidamente la temperatura de ese horno, generando que muy probablemente no solo la alcance, sino que la sobrepase. Para evitar este problema, el controlador debe reconocer la velocidad a la que el sistema se acerca al valor de  referencia deseado para poder frenarle con antelación a medida que se acerque a la referencia deseada y evitar que la sobrepase.

Al aumentar la constante de control derivativa se obtiene un aumento en la estabilidad del sistema controlado, disminuye un poco la velocidad del sistema pero el error en proceso permanecerá igual. Esta acción de control sirve  por lo tanto para estabilizar una respuesta que oscile demasiado.

Acción de control Integral

Esta acción de control como su nombre indica, calcula la integral de la señal de error, es decir, corresponde a la suma o acumulación de la señal de error. A medida que pasa el tiempo pequeños errores se van sumando para hacer que la acción integral sea cada vez mayor. Con esto se consigue reducir el error del proceso que está en producción. La desventaja de utilizar la acción integral consiste en que esta añade una cierta inercia al sistema y por lo tanto le hace más inestable. 

Sintonización manual de un controlador PID

Ahora que hemos revisado las acciones que puede ejecutar un controlador PID, podemos aplicar algunas reglas sencillas para sintonizar este controlador manualmente:

1º – Acción Proporcional.

– Se aumenta poco a poco la acción proporcional para disminuir el error (diferencia entre el estado deseado y el estado conseguido) y para aumentar la velocidad de respuesta.

– Si se alcanza la respuesta deseada en velocidad y error, el PID ya está sintonizado.

– Si el sistema se vuelve inestable antes de conseguir la respuesta deseada, se debe aumentar la acción derivativa.

 2º – Acción Derivativa. 

– Si el sistema es demasiado inestable, se aumentará poco a poco la constante derivativa para conseguir de nuevo estabilidad en la respuesta.

3º – Acción Integral. 

– En el caso de que el error del sistema sea mayor que el deseado, se aumentará la constante integral hasta que el error se minimice con la rapidez deseada.

– Si el sistema se vuelve inestable antes de conseguir la respuesta deseada, se debe aumentar la acción derivativa.

Con estas sencillas reglas es sencillo afinar poco a poco el controlador PID hasta conseguir la respuesta deseada.

Saturación y límites del controlador PID

Se debe considerar que en los procesos industriales existen limitaciones que reducen la capacidad del controlador para conseguir la respuesta deseada, donde por mucho que se aumente la acción proporcional, llegará un momento en el que el accionador se saturará. Por ejemplo en un proceso de control de temperatura, la resistencia calefactora podrá suministrar potencia hasta los 2000 watts. Si el controlador intenta entregar más potencia para conseguir más velocidad de calentamiento, no se podrá y el sistema no conseguirá mayor rapidez.

Por lo tanto hay que tener en cuenta que la velocidad de respuesta de los sistemas reales tiene ciertos límites que el control no podrá superar.

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