Fundamentos de los procesos de integración frente a los de autorregulación

Un proceso de naturaleza integradora tiende a producir una salida que es proporcional al total acumulado de valores de entrada que se han acumulado a lo largo del tiempo. Si la entrada se vuelve negativa, el proceso generará una disminución proporcional en su amplitud, lo que reducirá la salida. Por ejemplo, para un tanque de agua, la entrada sería la cantidad de líquido que fluye mientras que la salida es el nivel de agua que ha mantenido el tanque. Mientras la entrada siga siendo positiva, el nivel del agua seguirá aumentando, pero cuando la entrada se vuelva negativa (más salida que entrada), el nivel de salida bajará.

Consideremos ahora el funcionamiento de un servomotor. El voltaje de entrada a través del motor determina su par, que luego acelera la carga. La rotación es continua mientras el voltaje de entrada no sea cero y la posición de la carga dependa de las rotaciones acumuladas. Si el voltaje de entrada se vuelve negativo, el eje comienza a girar hacia atrás y la posición de salida disminuye. El comportamiento tanto del tanque de agua como del servomotor es similar, ya que ambas entidades mantendrían su nivel de salida siempre que la entrada no sea negativa.

Todos los procesos integradores se comportan de esta manera. Las entradas se acumulan y se dispersan a los entornos circundantes. La velocidad a la que ocurren estos dos procesos depende de la máquina que se controla, así como de factores físicos como la fricción, el arrastre y la inercia. Pero una vez que se agrega una entrada al sistema, existe hasta que un valor negativo la cancela.

Procesos no integradores

Considere un tanque de agua con fugas. Continuará perdiendo agua independientemente de cuál sea la entrada. Del mismo modo, un servomotor que gira contra un resorte de torsión continuará perdiendo posición sin importar cuál sea el valor del voltaje. Dichos procesos pueden alcanzar un punto de equilibrio donde las adiciones pueden compensarse con pérdidas impredecibles. Por ejemplo, sería imposible que un tanque con varias fugas tuviera un nivel de salida más allá de cierto punto. Estos procesos no son integradores, acumulan sus entradas pero solo alcanzan un cierto punto que es un equilibrio entre la entrada y la salida.

Cabe señalar que solo hay algunos procesos de integración que no poseen pérdidas espontáneas, mientras que algunos procesos de no integración tienen constantes de tiempo bastante largas, lo que les dificulta alcanzar el punto de equilibrio. Esto difumina la línea entre los dos.

Selección de un controlador

El trabajo de un ingeniero de control es identificar la naturaleza del proceso y a qué extremo del espectro pertenece. Esto le permite elegir una estrategia de control adecuada al proceso. La regulación de un proceso que no se integra es más fácil ya que el punto de equilibrio impone un límite natural a la producción. El controlador no tiene que pasar por el tedioso proceso de encontrar la entrada correcta.

Es por esta razón que los procesos que no se integran a veces se denominan autorreguladores debido a su capacidad para alcanzar un estado estable sin necesidad de la intervención del controlador. No obstante, aún se requieren los esfuerzos de un controlador de retroalimentación para aumentar/disminuir la entrada del proceso si surge la necesidad.

Controladores PI y PID tradicionales están diseñados para trabajar tanto con procesos de integración como de autorregulación; la configuración, sin embargo, difiere. La mayoría de las reglas de ajuste tienen en cuenta estos dos procesos y proporcionan fórmulas a través de las cuales se pueden calcular los parámetros P, I y D del controlador.

A veces, incluso un controlador P simple puede cumplir los requisitos de un proceso de integración debido a la acumulación que se produce. Esto le da al controlador las mismas características que el integrador en un controlador PI o PID. Además, si el objetivo del controlador es identificar la magnitud de la entrada requerida para forzar la salida para que coincida con un punto de ajuste específico, entonces un controlador P es adecuado.

No se puede decir lo mismo de los procesos que no se integran, ya que un controlador P puede rendirse antes de que la salida se acerque al punto de ajuste. Esto conducirá a un error de estado estable que se mantendría incluso si el controlador intenta compensar la perturbación de la carga. Estos errores también pueden afectar los procesos de integración y se deben a parámetros físicos como la variación de la densidad del fluido.

Principales desafíos en el camino de la Industria 4.0 Interconexión TI/TO