Controladores PID: la columna vertebral de la automatización industrial moderna

Los controladores Proporcional-Integral-Derivativo (PID) se usan en la mayoría de aplicaciones de control de proceso automático en la industria actual para regular flujo, temperatura, presión, nivel, y muchas otras variables de proceso industrial.

Se remontan a 1939, cuando las compañías de instrumentación Taylor y Foxboro introdujeron los dos primeros controladores PID. Todos los controladores actuales se basan en esos modos originales proporcional, integral y derivativo.

Los controladores PID son el caballo de batalla de los sistemas modernos de control de proceso, ya que automatizan tareas de regulación que de otro modo tendrían que hacerse manualmente. Aunque el modo de control proporcional es la fuerza motriz principal en un controlador, cada modo cumple una función única. Los modos de control proporcional e integral son esenciales para la mayoría de lazos de control, mientras que el modo derivativo es excelente para control de movimiento. El control de temperatura es una aplicación típica que usa los tres modos.

Control manual

Sin un controlador PID, el control manual de la temperatura del agua es un proceso tedioso. Por ejemplo, para mantener una temperatura constante del agua descargada de un calentador industrial de gas, un operador tiene que vigilar un medidor de temperatura y ajustar una válvula de gas combustible en consecuencia (Figura 1). Si la temperatura del agua se vuelve demasiado alta, el operador tiene que cerrar la válvula de gas lo justo para devolver la temperatura al valor deseado. Si el agua se enfría demasiado, tiene que abrir la válvula de gas.

La tarea de control realizada por el operador se llama control de realimentación, porque el operador cambia la tasa de combustión basándose en la realimentación del proceso a través del medidor de temperatura. El operador, válvula, proceso y medidor de temperatura forman un lazo de control. Cualquier cambio que el operador haga en la válvula de gas afecta la temperatura, que se realimenta al operador, cerrando así el lazo.

Control automático

Para automatizar el control de temperatura con un controlador PID, se requiere:

• Instalar un dispositivo electrónico de medición de temperatura
• Automatizar la válvula añadiendo un actuador (y quizás un posicionador) para que pueda accionarse electrónicamente
• Instalar un controlador y conectarlo al dispositivo de medición de temperatura y válvula de control automatizada

El operador ajusta el punto de consigna (SP) del controlador PID a la temperatura deseada, y la salida del controlador (CO) establece la posición de la válvula de control. La medición de temperatura, llamada variable de proceso (PV), se transmite al controlador PID, que la compara con el punto de consigna y calcula la diferencia, o error (E), entre las dos señales. Basándose en el error y las constantes de sintonía del controlador, este calcula la salida de control apropiada para posicionar la válvula de control correctamente y mantener la temperatura en el punto de consigna (Figura 2). Si la temperatura sube por encima de su punto de consigna, el controlador reducirá la posición de la válvula y viceversa.

Cada uno de los tres modos del controlador reacciona de forma diferente al error. La cantidad de respuesta producida por cada modo es ajustable cambiando los ajustes de sintonía del controlador.

Modo de control proporcional

El modo de control proporcional cambia la salida del controlador en proporción al error. Si el error aumenta, la acción de control aumenta proporcionalmente.

El ajuste para control proporcional se llama Ganancia del Controlador (Kc). Una ganancia mayor aumenta la cantidad de acción de control proporcional para un error dado. Si la ganancia se ajusta demasiado alta, el lazo de control comenzará a oscilar y se volverá inestable. Si se ajusta demasiado baja, el lazo no responderá adecuadamente a perturbaciones o cambios de punto de consigna.

Para la mayoría de controladores, ajustar la ganancia influye en la cantidad de respuesta en los modos integral y derivativo.

Controlador solo proporcional

Un controlador PID puede configurarse para producir solo acción proporcional desactivando los modos integral y derivativo. Los controladores proporcionales son simples de entender y fáciles de sintonizar: la salida es simplemente el error de control por la ganancia, más un sesgo. El sesgo es necesario para que el controlador mantenga una salida no nula mientras el error es cero (variable de proceso en punto de consigna). El inconveniente es el offset, un error sostenido que no puede eliminarse solo con control proporcional. Bajo control solo proporcional, el offset permanecerá hasta que el operador cambie manualmente el sesgo en la salida del controlador para eliminarlo. Esto se conoce como reinicio manual del controlador.

Modo de control integral

La necesidad de reinicio manual llevó al desarrollo de reinicio automático, conocido como modo de control integral. La función del modo integral es incrementar o decrementar la salida del controlador con el tiempo para reducir el error, mientras haya error presente (variable de proceso no en punto de consigna). Dado tiempo suficiente, la acción integral llevará la salida del controlador hasta que el error sea cero.

Si el error es grande, el modo integral incrementará/decrementará la salida a tasa rápida; si es pequeño, los cambios serán lentos. Para un error dado, la velocidad de la acción integral la establece el ajuste de tiempo integral del controlador (Ti). Si el tiempo integral es demasiado largo, el controlador será lento; si es demasiado corto, el lazo oscilará y se volverá inestable.

La mayoría de controladores usan tiempo integral en minutos como unidad de medida. Algunos usan segundos, y unos pocos usan ganancia integral (Ki) en repeticiones por minuto.

Controlador Proporcional + Integral

Comúnmente llamado controlador PI, su salida se compone de la suma de las acciones de control proporcional e integral.

Tras una perturbación, el modo integral continúa incrementando la salida del controlador hasta eliminar todo offset y devolver la temperatura de salida del calentador a su punto de consigna.

Modo de control derivativo

El control derivativo rara vez se usa en control de procesos, aunque a menudo se usa en control de movimiento. Es muy sensible al ruido de medición, dificulta la sintonía por ensayo y error, y no es absolutamente requerido para control de procesos. Sin embargo, usar el modo derivativo puede hacer que ciertos lazos de control —control de temperatura, por ejemplo— respondan más rápido que con solo control PI.

El modo derivativo produce una salida basada en la tasa de cambio del error. Produce más acción de control si el error cambia a mayor tasa; si no hay cambio en el error, la acción derivativa es cero. Este modo tiene un ajuste llamado Tiempo Derivativo (Td). Cuanto mayor el tiempo derivativo, más acción derivativa se produce. Si el tiempo derivativo es demasiado largo, ocurrirán oscilaciones y el lazo será inestable. Un ajuste Td de cero desactiva efectivamente el modo derivativo. Dos unidades de medida se usan: minutos y segundos.

Controlador Proporcional + Integral + Derivativo

La salida de un controlador PID se compone de la suma de las acciones de control proporcional, integral y derivativo. Los algoritmos PID vienen en diferentes diseños, incluyendo el algoritmo no interactivo y el paralelo. Ambos se muestran en la Figura 3.

En un controlador PID, el modo derivativo proporciona más acción de control antes de lo posible con solo P o PI. Esto reduce el efecto de una perturbación y acorta el tiempo que tarda el nivel en volver a su punto de consigna.

La Figura 4 compara el tiempo de recuperación de la temperatura de salida del calentador tras un cambio repentino en la presión de gas combustible bajo control P, PI y PID.

Sintonía del controlador

Los controladores PID requieren sintonía, pero cuando salieron al mercado no había instrucciones claras. La sintonía se hacía por ensayo y error hasta 1942, cuando J. G. Ziegler y N. B. Nichols de Taylor Instruments publicaron dos métodos.

Estas reglas funcionan bien en procesos con constantes de tiempo muy largas relativas a sus tiempos muertos y en lazos de control de nivel, que contienen un proceso integrador. No funcionan bien en lazos con procesos autorregulados, como flujo, temperatura, presión, velocidad y composición.

Un proceso autorregulado siempre se estabiliza en algún punto de equilibrio, que depende del diseño del proceso y la salida del controlador; si la salida se establece en un valor diferente, el proceso responderá y se estabilizará en un nuevo punto de equilibrio.

La mayoría de lazos contienen procesos autorregulados, y se han desarrollado métodos para ellos. Las reglas de sintonía Cohen-Coon, por ejemplo, funcionan bien en virtualmente todos los lazos con procesos autorregulados. Originalmente diseñadas para respuesta muy rápida, resultaban en lazos con alta respuesta oscilatoria. Con ligera modificación, los lazos responden rápido pero son mucho menos propensos a oscilaciones. Hoy hay más de 100 métodos de sintonía, cada uno diseñado para lograr un objetivo determinado.

Conclusión

Los sistemas modernos de control de proceso no podrían existir sin controladores PID, ya que todas las funciones de control tendrían que hacerse manualmente. Cada modo proporcional, integral y derivativo cumple una función única, y se han desarrollado reglas de sintonía para asegurar control eficiente para todos los tipos de lazos y aplicaciones.

Este artículo fue escrito por Lee Payne, CEO de Dataforth Corporation, Tucson, AZ. Para más información, haga clic aquí.

Recursos

Para información sobre el sistema de adquisición y control de datos industriales MAQ®20 de Dataforth, descargue el Catálogo.

Referencias

• an122: Introducción al Control PID
• an123: Sintonía de Lazos de Control para Respuesta Rápida
• an124: Sintonía de Lazos de Control con Método IMC
• an125: Sintonía de Lazos de Control de Nivel
• an126: Sintonía de Lazos de Control de Nivel de Tanque de Sobrepresión