Controladores PID:la columna vertebral de la automatización industrial moderna

Los controladores proporcionales integrales derivados (PID) se utilizan en la mayoría de las aplicaciones de control de procesos automáticos en la industria actual para regular el flujo, la temperatura, la presión, el nivel y muchas otras variables de procesos industriales.

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

Los controladores PID son el caballo de batalla de los sistemas de control de procesos modernos, ya que automatizan tareas de regulación que de otro modo tendrían que realizarse manualmente. Si bien el modo de control proporcional es la principal fuerza impulsora de un controlador, cada modo cumple una función única. Los modos de control proporcional e integral son esenciales para la mayoría de los bucles de control, mientras que el modo derivativo es excelente para el control de movimiento. El control de temperatura es una aplicación típica que utiliza los tres modos de control.

Control manual

Figura 1. Operador realizando 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 a gas, un operador debe observar un medidor de temperatura y ajustar una válvula de gas combustible en consecuencia (Figura 1). Si la temperatura del agua sube demasiado, el operador debe cerrar la válvula de gas lo suficiente para que la temperatura vuelva 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 retroalimentación, porque el operador cambia la velocidad de disparo basándose en la retroalimentación del proceso a través del medidor de temperatura. El operador, la válvula, el proceso y el medidor de temperatura forman un circuito de control. Cualquier cambio que el operador realice en la válvula de gas afecta la temperatura, que se devuelve al operador, cerrando así el circuito.

Control automático

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

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

Figura 2. Controlador PID realizando control automático

El operador establece el punto de ajuste (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), luego se transmite al controlador PID, que la compara con el punto de ajuste y calcula la diferencia o error (E) entre las dos señales. Con base en el error y las constantes de ajuste del controlador, el controlador calcula la salida apropiada del controlador para configurar la válvula de control en la posición correcta para mantener la temperatura en el punto de ajuste (Figura 2). Si la temperatura aumenta por encima de su punto de ajuste, el controlador reducirá la posición de la válvula y viceversa.

Cada uno de los tres modos del controlador reacciona de manera diferente al error. La cantidad de respuesta producida por cada modo de control se puede ajustar cambiando la configuración de sintonización 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.

La configuración ajustable para el control proporcional se llama Ganancia del Controlador (Kc). Una mayor ganancia del controlador aumenta la cantidad de acción de control proporcional para un error determinado. Si la ganancia del controlador se establece demasiado alta, el bucle de control comenzará a oscilar y se volverá inestable. Si se configura demasiado bajo, el circuito de control no responderá adecuadamente a las perturbaciones o cambios del punto de ajuste.

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

El controlador sólo proporcional

Un controlador PID se puede configurar para producir solo una acción proporcional desactivando los modos integral y derivativo. Los controladores proporcionales son fáciles de entender y ajustar:la salida del controlador es simplemente el error de control multiplicado por la ganancia del controlador, más una polarización. La polarización es necesaria para que el controlador pueda mantener una salida distinta de cero mientras el error sea cero (variable de proceso en el punto de ajuste). El inconveniente se compensa, lo cual es un error sostenido que no puede eliminarse únicamente mediante el control proporcional. Bajo control solo proporcional, la compensación permanecerá presente hasta que el operador cambie manualmente la polarización en la salida del controlador para eliminar la compensación. Esto se conoce como reinicio manual del controlador.

Modo de control integral

Figura 3. (izquierda) El algoritmo del controlador PID no interactivo; (derecha) el algoritmo del controlador PID paralelo

La necesidad de reinicio manual llevó al desarrollo del reinicio automático, conocido como modo de control integral. La función del modo de control integral es incrementar o disminuir la salida del controlador a lo largo del tiempo para reducir el error, siempre que haya algún error presente (la variable de proceso no está en el punto de ajuste). Con el tiempo suficiente, la acción integral impulsará la salida del controlador hasta que el error sea cero.

Si el error es grande, el modo integral incrementará/disminuirá la salida del controlador a un ritmo rápido; si el error es pequeño, los cambios serán lentos. Para un error dado, la velocidad de la acción integral se establece mediante la configuración de tiempo integral del controlador (Ti). Si el tiempo integral se establece demasiado largo, el controlador será lento; si se establece demasiado corto, el bucle de control oscilará y se volverá inestable.

La mayoría de los controladores utilizan el tiempo integral en minutos como unidad de medida para el control integral. Algunos usan el tiempo integral en segundos y algunos controladores usan la ganancia integral (Ki) en repeticiones por minuto.

Controlador Proporcional + Integral

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

Después de una perturbación, el modo integral continúa incrementando la salida del controlador hasta que elimina todas las compensaciones y devuelve la temperatura de salida del calentador a su punto de ajuste.

Modo de control derivado

El control derivativo rara vez se utiliza en el control de procesos, aunque a menudo se utiliza en el control de movimiento. Es muy sensible al ruido de medición, dificulta el ajuste por prueba y error y no es absolutamente necesario para el control de procesos. Sin embargo, el uso del modo derivativo de un controlador puede hacer que ciertos tipos de bucles de control (control de temperatura, por ejemplo) respondan más rápido que con el control PI solo.

El modo de control derivativo produce una salida basada en la tasa de cambio del error. Produce más acción de control si el error cambia a un ritmo más rápido; si no hay cambio en el error, la acción derivativa es cero. Este modo tiene una configuración ajustable llamada Tiempo derivativo (Td). Cuanto mayor sea el ajuste del tiempo derivativo, más acción derivativa se produce. Sin embargo, si el tiempo de derivación se establece demasiado largo, se producirán oscilaciones y el bucle de control será inestable. Un ajuste Td de cero desactiva efectivamente el modo derivativo. Para el ajuste derivativo de un controlador se utilizan dos unidades de medida:minutos y segundos.

Controlador Proporcional + Integral + Derivativo

Figura 4. Respuesta de los controladores P, PI y PID ante una perturbación

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

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

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

Sintonización del controlador

Los controladores PID requieren sintonización, pero cuando llegaron al mercado por primera vez, no había instrucciones claras sobre cómo hacerlo. La afinación se realizó mediante prueba y error hasta 1942, cuando J. G. Ziegler y N. B. Nichols de Taylor Instruments Company publicaron dos métodos de afinación.

Estas reglas de ajuste funcionan bien en procesos con constantes de tiempo muy largas en relación con sus tiempos muertos y en bucles de control de nivel, que contienen un proceso integrador. No funcionan bien en circuitos de control que contienen procesos autorreguladores, 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 de la salida del controlador; Si la salida del controlador se establece en un valor diferente, el proceso responderá y se estabilizará en un nuevo punto de equilibrio.

La mayoría de los circuitos de control contienen procesos autorreguladores y se han desarrollado métodos de ajuste para ellos. Las reglas de sintonización de Cohen-Coon, por ejemplo, funcionan bien en prácticamente todos los circuitos de control con procesos autorregulados. Estas reglas fueron diseñadas originalmente para dar una respuesta muy rápida, pero esto resultó en bucles con una respuesta oscilatoria alta. Con una ligera modificación de las reglas, los bucles de control siguen respondiendo rápidamente pero son mucho menos propensos a oscilaciones. Hoy en día existen más de 100 métodos de ajuste de controladores, cada uno diseñado para lograr un objetivo determinado.

Conclusión

Los sistemas de control de procesos modernos no podrían existir sin controladores PID, ya que todas las funciones de control tendrían que realizarse manualmente. Cada uno de los modos de control proporcional, integral y derivativo cumple una función única y se han desarrollado reglas de ajuste para garantizar un control de proceso eficiente para todo tipo de bucles y aplicaciones.

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

Recursos

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Referencias

• an122: Introducción al control PID
• an123: Ajuste de bucles de control para una respuesta rápida
• an124: Sintonización de bucles de control con el método de sintonización IMC
• an125: Sintonización de bucles de control de nivel
• an126: Ajuste de los bucles de control de nivel del tanque de compensación