Las tres caras de PID

La industria de control de procesos está fuertemente dominada por controladores proporcionales integrales derivados (PID) , sin embargo, incluso estos maravillosos componentes tienen sus propias limitaciones. El comportamiento de PID loops es difícil de entender, algo que empeora cada vez que surge una falla y se requiere la resolución de problemas. No obstante, los técnicos e ingenieros se esfuerzan por lograr la coherencia entre los tres componentes básicos del controlador, es decir, acciones proporcionales, integrales y derivadas.

Cuando se introdujeron los controladores por primera vez, eran solo proporcionales y, aunque esto los hizo fáciles de entender, pronto no pudieron manejar los errores. Estos controladores tendían a cerrarse demasiado pronto cuando era necesario eliminar los errores entre la variable de proceso y el punto de ajuste. Esto condujo a la adición de la acción integral dentro del "controlador proporcional" anterior.

Acción Integral

Los operadores pronto descubrieron que podían compensar la caída resultante de la disminución de la acción proporcional mediante la adición manual de polarización al esfuerzo de control, lo suficiente como para superar la minúscula brecha entre la variable del proceso y el punto de ajuste. Esto llegó a conocerse como "restablecer" el bucle.

Al principio, los operadores tenían la tarea de realizar este "reinicio", sin embargo, pronto se introdujo el reinicio automático, eliminando el retraso que surgía de las intervenciones manuales. Hoy en día, este restablecimiento automático se denomina acción integral, mientras que la ganancia que determina la magnitud de la respuesta requerida a veces se denomina "tasa de restablecimiento". Mientras la variable de proceso y el punto de referencia difieran, una tasa de restablecimiento alta tiende a empujar al controlador a generar un esfuerzo de control agresivo. . Pero aquí está la cosa, la acción integral continúa creciendo mientras el error permanece, a diferencia de la acción proporcional que tiende a disminuir a medida que el error se minimiza.

Esto puede parecer favorable, pero de hecho tiene sus propios problemas. Por ejemplo, si el proceso que se está controlando es lento, el error tardará un tiempo en desaparecer, mientras que el controlador empleará acciones integrales agresivas para eliminarlo. Si el operador configura la tasa de restablecimiento demasiado alta, el controlador compensará en exceso el error, lo que dará como resultado un error aún mayor en la dirección negativa, lo que generará ciclos de búsqueda de ida y vuelta hasta que el error se elimine por completo.

Restablecer cuerda

La acción integral es más adecuada para aplicaciones donde un proceso tiene un actuador que es demasiado pequeño para producir un gran esfuerzo de control. Por ejemplo, si una válvula es demasiado pequeña para generar un caudal lo suficientemente alto, cuando un quemador no es lo suficientemente grande para suministrar suficiente calor, etc. Siempre que surgen tales situaciones, se dice que el actuador está saturado en alguna válvula limitadora.

Esta saturación finalmente conduce a errores positivos entre el punto de referencia y la variable de proceso. La acción integral sigue siendo más agresiva, pero el actuador se atasca e impide la rectificación del error. Durante el tiempo que el actuador estará atascado al 100%, el error integrado total habrá alcanzado un valor enorme. Esto forzará al controlador a un estado de no respuesta y no permitirá que el operador corrija el error al reducir el nivel del punto de ajuste a un rango alcanzable.

Se han diseñado e implementado varias soluciones para proteger el controlador contra el reinicio, y la mayoría de ellas involucran el apagado del integrador.

Acción Derivada

La acción derivativa de un controlador PID actúa como una bendición mixta, disminuyendo el esfuerzo de control en proporción a la tasa de cambio del error, de modo que se pueda desacelerar el descenso de la variable de proceso hasta el punto de ajuste. Esto reduce las posibilidades de sobrepasar y cazar . Pero, si la acción derivativa se activa de manera demasiado agresiva, puede provocar la caza por sí sola. Este efecto se observa comúnmente en procesos que responden rápidamente a los esfuerzos del controlador, p. motores y robótica.

La acción derivada también puede agregar un pico repentino al esfuerzo de control cada vez que el error cambia abruptamente. Esto obliga al controlador a actuar, incluso antes de que las partes proporcionales o integrales del PID puedan entrar en acción. En comparación con un controlador PI de dos términos, un controlador PID completo de tres términos puede anticipar el nivel de esfuerzo que sería necesario para mantener constante la variable del proceso.

Si bien dicho control predictivo es beneficioso en algunas aplicaciones, no es favorable en otras. Por ejemplo, una ráfaga de aire caliente no será cómoda para los ocupantes de una habitación o, a escala industrial, para la pared del horno.

Arreglos

Los controladores PID modernos tienen como objetivo abordar todos estos problemas. Algunas características comunes de los controladores PID de hoy incluyen:

• Restablecer protección contra viento
• Calculadora de acciones derivadas
• Filtrado de ruido

Una técnica particular que ha mejorado enormemente la precisión del controlador PID es sintonización de bucle. Esto en sí mismo, es el arte de seleccionar valores apropiados para las ganancias proporcional, integral y derivativa, logrando así una respuesta rápida a los cambios de las variables del proceso. La técnica se ha complementado con numerosas metodologías y con el respaldo de una gran cantidad de paquetes de software para garantizar la máxima estabilidad dentro del sistema.

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