Dominando Controladores PID: Equilibrando Acciones Proporcional, Integral y Derivativa

La Industria de Control de Procesos está fuertemente dominada por los controladores proporcional-integral-derivativo (PID), sin embargo, incluso estos componentes maravillosos tienen sus propias limitaciones. El comportamiento de los bucles PID es difícil de entender, algo que empeora cada vez que surge una falla y se requiere solución de problemas. No obstante, técnicos e ingenieros se esfuerzan por lograr coherencia entre los tres bloques de construcción del controlador, es decir, acciones proporcional, integral y derivativa.

Cuando se introdujeron los controladores por primera vez, eran solo proporcionales, y aunque esto los hacía fáciles de entender, pronto no pudieron manejar errores. Estos controladores tendían a rendirse demasiado pronto cada vez que se necesitaban eliminar errores entre la variable de proceso y el punto de ajuste. Esto llevó a la adición de acción integral dentro del controlador previamente "proporcional".

Acción Integral

Los operadores pronto descubrieron que podían compensar la caída resultante de la acción proporcional menguante mediante la adición manual de sesgo al esfuerzo de control, suficiente para superar el minúsculo espacio entre la variable de proceso y el punto de ajuste. Esto llegó a ser conocido como "reiniciar" 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, este reinicio automático se denomina acción integral, mientras que la ganancia que determina la magnitud de la respuesta requerida a veces se llama "tasa de reinicio". Mientras la variable de proceso y el punto de ajuste difieran, una alta tasa de reinicio 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 permanezca, a diferencia de la acción proporcional que tiende a amortiguarse a medida que el error se minimiza.

Esto puede parecer favorable, pero de hecho tiene sus propios problemas. Por ejemplo, si el proceso controlado es lento, el error tardará un tiempo en desaparecer mientras el controlador empleará acciones integrales agresivas para eliminarlo. Si el operador establece la tasa de reinicio demasiado alta, el controlador sobrecompensará el error, resultando en un error aún mayor en la dirección negativa, llevando a ciclos de caza ida y vuelta hasta que el error se elimine completamente.

Acumulación de Reinicio (Reset Windup)

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

Esta saturación finalmente conduce a errores positivos entre el punto de ajuste y la variable de proceso. La acción integral continúa siendo más agresiva, pero el actuador crea un cuello de botella y evita la rectificación del error. Durante el tiempo que el actuador estará atascado al 100%, el error total integrado habrá alcanzado un valor enorme. Esto forzará al controlador a un estado no responsivo, e impedirá al operador corregir el error reduciendo el nivel de punto de ajuste a un rango alcanzable.

Se han diseñado e implementado varias soluciones para proteger al controlador contra la acumulación de reinicio, la mayoría de las cuales implican el apagado del integrador.

Acción Derivativa

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 para que el descenso de la variable de proceso al punto de ajuste pueda desacelerarse. Esto reduce las posibilidades de sobrepaso y caza. Pero, si la acción derivativa entra demasiado agresivamente, puede causar caza por sí misma. Este efecto se observa comúnmente en procesos que responden rápidamente a los esfuerzos del controlador, ej. motores y robótica.

La acción derivativa también puede agregar un pico repentino al esfuerzo de control cada vez que el error cambia abruptamente. Esto fuerza al controlador a la acción, incluso antes de que las partes proporcional o integral 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 se requeriría para mantener la variable de proceso estable.

Si bien tal 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, la pared del horno.

Correcciones

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

• Protección contra acumulación de reinicio
• Calculadora de Acción Derivativa
• Filtrado de Ruido

Una técnica particular que ha mejorado enormemente la precisión del controlador PID es el ajuste 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 cambios en la variable de proceso. La técnica ha sido suplementada por numerosas metodologías así como soportada por una plétora de paquetes de software para asegurar la máxima estabilidad dentro del sistema.

¿Interesado en aprender más? Hable con uno de nuestros profesionales en PanelShop.com.