Prevención del windup de reinicio PID: estrategias para control de proceso fiable

PID ha servido a la industria de control de procesos por más de una década y se ha consolidado como la técnica principal para sistemas de control de retroalimentación. A lo largo de los años, la técnica ha visto varias actualizaciones y mejoras, dando paso a dispositivos neumáticos, electrónicos y basados en computadora, asegurando un control más estricto sobre los procesos.

Uno de los primeros avances en sistemas PID fue la acción integral, también conocida como reinicio automático, que mejoró significativamente el rendimiento de controladores equipados con acción proporcional. Un controlador "P-only" aplica un esfuerzo correctivo proporcional a la diferencia entre el valor medido y el setpoint, lo que se resume como:

• Si la diferencia o error aumenta, el controlador P-only responde con un esfuerzo de control positivo para reducir la diferencia.
• Si la diferencia disminuye, el controlador inyecta un esfuerzo de control negativo.

Toda la implementación es fácil de entender y mantener, pero tiene el defecto de la longevidad, lo que significa que a medida que el error disminuye, también lo hace el esfuerzo de control. Esto ralentiza la tasa a la que el error se reduce, aumentando el tiempo total que tarda el error en cesar. Pero el error nunca deja de existir, con el controlador P dejando el proceso con un ligero offset.

Este error en estado estacionario se corrige a través de la acción integral que opera en paralelo al controlador P, asegurando que el esfuerzo de control permanezca mientras el error tenga un valor no nulo. Esto compone el controlador PI. Si bien este controlador asegura un esfuerzo consistente para eliminar el error, da lugar a otros problemas. El problema más importante es la inestabilidad en lazo cerrado, con la acción integral causando que la variable de proceso sobrepase el setpoint deseado. Este problema se vuelve excepcionalmente dañino si el proceso de control es altamente sensible, causando que el sobrepaso cree un error aún mayor en la dirección opuesta. Esto inicia otro proceso de eliminación de error.

Para rectificar esto, los ingenieros usan técnicas analíticas para determinar ganancias integrales y proporcionales que encajen perfectamente para el proceso.

El error de Windup de Reinicio (Reset Windup)

Si se usa un gran esfuerzo de control para mitigar un error de magnitud significativa para un proceso cuyo actuador es demasiado pequeño, el resultado es windup de reinicio. El actuador se satura en un valor específico correspondiente a su salida máxima, sin poder afectar el proceso más. El operador puede intentar mitigar el problema reduciendo el valor del setpoint para que caiga dentro del rango que el actuador puede lograr, pero esto no funcionará. ¿Por qué? Porque para entonces el error integrado habría alcanzado un valor enorme, y el controlador intentaría continuamente que el actuador genere una respuesta superior a su límite superior.

Sin embargo, si el setpoint se baja lo suficiente, el error integrado comenzará a disminuir. Esto tendría que combinarse con una cadena de errores negativos para cancelar el efecto de errores positivos acumulados durante el tiempo que el actuador estuvo en estado saturado.

Otra forma de eliminar este error es instalando un actuador lo suficientemente grande para producir el cambio requerido para el proceso sin saturar.

La solución de Pre-carga (Pre-Loading)

El windup de reinicio también puede ocurrir si el actuador está apagado mientras el controlador está encendido. Por ejemplo, en el caso de un controlador en cascada, si el lazo interno está en modo manual, no tendría efecto sobre el controlador del lazo externo. Si el controlador del lazo externo continúa operando, su acción integral "se enrollaría" (wind up).

Una solución simple a este problema es que siempre que el actuador no esté funcionando, el integrador del controlador debería apagarse. Otra solución es ajustar el setpoint al valor de la variable de proceso entre lotes. Pero hay mejores métodos para corregir el windup de reinicio.

En un escenario de pre-carga, la salida del integrador del controlador se fija para que el proceso inicie el siguiente lote con el error que adquirió del lote anterior. Con pre-carga, el reinicio puede continuar desde el lote anterior, reduciendo el tiempo requerido para establecerse en un estado constante.

Esto funciona mejor si los lotes son idénticos, de modo que el controlador tiene que obtener el mismo setpoint cada vez. Si los lotes no son idénticos, entonces se debe usar un modelo matemático para predecir la acción integral requerida para la siguiente ronda. Este enfoque funciona para un proceso continuo si se modela antes de iniciar el proceso.

La solución de Transferencia Sin Golpes (Bumpless Transfer)

Sin embargo, la pre-carga puede llevar a algunos contratiempos. Un problema potencial es el ajuste abrupto a la salida del actuador una vez que comienza cada ronda, lo que puede dañar el actuador. De igual manera, cuando el controlador se cambia de modo automático a manual y viceversa, cualquier intento del operador de modificar el esfuerzo de control también puede dañar el actuador.

La Transferencia Sin Golpes (Bumpless Transfer) usa pre-carga artificial para resolver estos contratiempos. El integrador se carga con el valor requerido para reiniciar operadores, eliminando la necesidad de cambiar el esfuerzo de control. El controlador todavía tendría que dar cuenta de cambios en la variable de proceso o setpoint, pero habría menos golpe al cambiar a modo automático.

Complicaciones de Tiempo Muerto (Deadtime)

El tiempo muerto es el tiempo que tarda la variable de proceso en ajustarse después de un cambio en el esfuerzo de control. Esto ocurre cuando el sensor de variable está demasiado aguas abajo del actuador. No importa cuánto intente el controlador, no puede aliviar el error hasta que cambien los parámetros físicos del sensor.

A medida que el controlador intenta corregir los errores, tanto el error como la variable de proceso dejan de moverse, resultando en una acción integral enrollada como si el actuador estuviera apagado. Una solución es disminuir la ganancia integral, lo que reduciría la acción integral máxima debido al windup y eliminaría el tiempo muerto.

El problema también puede resolverse emitiendo la acción integral con un tiempo muerto, dando al windup tiempo de buffer para relajarse. Una forma de mejorar esta técnica es añadiendo intervalos intermitentes a la acción integral. Dejar que la acción proporcional funcione por un tiempo y luego encender la acción integral puede acortar el tiempo requerido para que el error sea cero.

Este es solo un ejemplo de uso de PID. Los algoritmos PID han sido grandemente modificados para tener en cuenta actuadores limitados por velocidad, ruido de medición de variable de proceso, modelos de proceso variables en el tiempo, y así sucesivamente.

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