EXPLICACIÓN DEL CONTROLADOR PID: TIPOS, USOS Y OPERACIONES

En ingeniería de sistemas de control, un controlador proporcional-integral-derivativo (PID) es esencial. Suele utilizarse para garantizar que los sistemas funcionan según lo previsto y rigen diversas funciones. La popularidad del controlador PID puede atribuirse a su eficacia, sencillez y robustez, que lo convierten en un instrumento vital para la ingeniería y la automatización.

Esto es lo básico que sirve para entenderlo: sus acciones sirven para control proporcional, integral y derivativo

Control proporcional (P)

La diferencia entre el punto fijo planificado y la variable real del proceso se conoce como valor de error actual, y el componente proporcional de un regulador PID genera una salida que es exactamente proporcional a este valor. La reacción proporcional será grande si el error es importante, y viceversa.

La sensibilidad del regulador al error viene determinada por la ganancia proporcional (Kp). Pero el control P por sí solo es incapaz de deshacerse del error de estado estacionario, lo que da lugar a un desplazamiento permanente.

Control integral (I)

El error en estado estacionario se elimina mediante el componente integral, que acumula gradualmente el error y modifica la salida del regulador. El error se suma a lo largo del tiempo y luego se multiplica por la ganancia integral (Ki).

Al asegurar que el error total se lleve a cero, se elimina cualquier desplazamiento que el control proporcional pueda haber dejado atrás. Por otro lado, la inestabilidad y las oscilaciones podrían ser el resultado de una actividad integral excesiva.

Control derivativo (D)

En función de su tasa de variación, el componente derivado prevé la imprecisión en el futuro. Al aumentar la ganancia derivativa (Kd) por la derivada del error en el tiempo, produce un efecto de amortiguación. De este modo, se suaviza la respuesta y se reducen las oscilaciones y los sobreimpulsos. El control derivativo, sin embargo, es susceptible al ruido de la señal de error y, si se maneja mal, puede intensificarlo.

Tipos de controladores PID: Analógico frente a digital

Controladores PID analógicos

Las actividades de control de los controladores PID analógicos se llevan a cabo mediante componentes mecánicos o eléctricos como inductores, condensadores y resistencias. Antes del desarrollo de la tecnología digital, se usaban con mayor frecuencia. Aunque los controladores analógicos son famosos por su facilidad de uso y baja latencia, también son difíciles de ajustar y afinar y carecen de versatilidad.

Controladores PID digitales

Los controladores PID digitales emplean algoritmos para realizar las operaciones de control en microprocesadores o microcontroladores. Proporcionan más flexibilidad, lo que permite afinar, adaptar e implantar fácilmente sofisticados sistemas de control. Los sistemas automatizados de mayor tamaño pueden utilizar controladores digitales, que ofrecen funciones sofisticadas como el autoajuste y el control adaptativo.

Aplicación del controlador PID en ingeniería y automatización

Temperatura de control: Los controladores PID tienen una amplia aplicación en la regulación de sistemas de control de temperatura. Por ejemplo, los controladores PID de los sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) regulan las temperaturas para garantizar que se mantiene la adecuada en la habitación en todo momento.

El error de punto fijo es la diferencia entre este y la temperatura ambiente que indica cuánto hay que calentar o enfriar. Funciona regulando la temperatura a un valor constante para garantizar el calentamiento en procesos como el horneado, el recocido de metales y en plantas químicas.

Presión de control: En muchos procesos industriales se requiere una presión constante. Los controladores proporcionales derivativos integrales se utilizan en aplicaciones como calderas, gasoductos y sistemas neumáticos para regular la presión en los sistemas. Para mantener la presión de vapor deseada en una caldera dentro de unos niveles de trabajo adecuados y seguros, un controlador PID controla la entrada de combustible. Mantiene una presión constante en los gasoductos para evitar fugas y posibles averías y, además, contribuye a garantizar el suministro de gas.

Velocidad de control: Debido a las necesidades operativas de las fábricas, los motores y otras máquinas requieren un funcionamiento continuo. Los controladores PID se utilizan en accionamientos de motores para regular la velocidad de funcionamiento de los motores eléctricos. Las máquinas herramienta CNC, las unidades de paletizado robotizadas y otros sistemas de transporte programables, como las cintas transportadoras, son procesos críticos y de calidad para los que el control de la velocidad es de vital importancia.

Los reguladores PID se utilizan en los coches eléctricos para controlar la velocidad del motor para que el coche resulte más cómodo de conducir y mejore la economía de conducción, ya que la velocidad del motor puede controlarse fácilmente para permitir una aceleración o desaceleración suaves.

Nivel de control: Una aplicación común de los controladores PID es el control del nivel de fluido en varios recipientes. En las obras hidráulicas, los controladores PID se utilizan para regular el nivel de agua almacenada en depósitos y garantizar así un suministro uniforme. Las plantas de procesos químicos mantienen los niveles de reactantes del reactor en unos valores determinados para mejorar las condiciones del reactor. Los requisitos para el control del nivel se utilizan para regular los caudales mediante un control preciso del nivel que garantice que los procesos posteriores no se interrumpan o que se produzca un desbordamiento.

Control del caudal de agua: Las válvulas son cruciales en procesos como las industrias química, del agua y del gas. Las variables de proceso que tienen caudales variables a través de reactores y tuberías se regulan con controles PID. Por ejemplo, en una planta de tratamiento de agua, un controlador PID regula la cantidad de productos químicos que fluyen en el agua tratada para poder mantener unos niveles químicos determinados en el agua tratada. Del mismo modo, en la industria petrolera, los controladores PID regulan la cantidad de crudo que fluye por los oleoductos en un intento de garantizar un suministro seguro y constante.

Fabricación: Debe entenderse que los controladores PID son cruciales en el proceso de garantizar que operaciones como el moldeo por inyección sean eficaces. Controlan las necesidades de temperatura, presión y velocidad para garantizar que se produzcan los componentes adecuados. También controlan parámetros en las cadenas de montaje como la velocidad de las cadenas de montaje, el movimiento de los brazos robóticos y otros materiales en las cadenas de montaje automatizadas.

IA: Los controladores PID se emplean en robótica para garantizar que la posición de los efectores finales y las articulaciones robóticas se mantenga o cambie en consecuencia. Garantizan que los robots realicen los movimientos específicos necesarios en tareas como soldar, pintar y ensamblar. Los controladores de posición permiten alcanzar una gran precisión y repetibilidad en los robots porque las entradas del motor se corrigen continuamente utilizando la información de los sensores de posición.

Sistemas marinos: Los controladores PID tienen aplicaciones en sistemas marinos en los que el controlador dirige el movimiento y la velocidad de los barcos. Controlan el acelerador del motor y la posición del timón para compensar las fuerzas del viento y las olas y mantener el rumbo y la velocidad constantes. Esto garantiza un consumo económico de combustible y navegación y, por tanto, el rendimiento global del buque.

Aeronáutica: Para mantener constantes las condiciones de vuelo, los controladores PID se emplean en los sistemas de piloto automático de la industria aeronáutica. Para cambiar la dirección, velocidad y altitud del avión, ajustan el acelerador y las superficies de control. Al garantizar un vuelo estable y suave, se reduce la fatiga del piloto y se aumenta la seguridad. Los controladores PID también se utilizan en los sistemas de control de actitud de las naves espaciales, que mantienen su orientación durante las misiones.

Energías renovables: Para optimizar la eficiencia de sistemas de energías renovables como los paneles solares y los aerogeneradores, los controladores PID modifican la velocidad del rotor y el seguimiento del sol, entre otros parámetros. Para maximizar la extracción de energía y proteger la turbina de daños en caso de vientos fuertes, los controladores PID de los aerogeneradores ajustan el par del generador y el paso de las palas. Los sistemas de seguimiento solar aumentan la eficiencia energética al garantizar que los paneles estén siempre colocados con la máxima exposición al sol.

Funcionamiento de los controladores PID en los procesos industriales

Los controladores PID son esenciales para preservar la eficiencia y la estabilidad en las operaciones industriales. Por ejemplo, para garantizar que la reacción continúa al mejor ritmo posible en una planta química, un controlador PID puede regir el caudal de reactivos en un reactor.

Para reducir el error, mide continuamente la variable de proceso (caudal) y modifica la variable de control (posición de la válvula). De este modo, garantiza que el procedimiento se desarrolle dentro de los límites previstos, mejorando la calidad del producto final y reduciendo los residuos.

Ventajas y limitaciones de los controladores PID

Ventajas

• Simplicidad: Fácil de comprender y poner en práctica.
• Eficacia: Capaz de gestionar diversos problemas de control.
• Robustez: Capaz de funcionar correctamente a pesar de los cambios en el sistema.
• Flexibilidad: Adaptable a distintos tipos de sistemas y procedimientos.

Limitaciones

• Ajuste de la complejidad: Determinar las ganancias ideales (Kp, Ki y Kd) puede resultar difícil y llevar mucho tiempo.
• Rendimiento en sistemas no lineales: Los sistemas altamente no lineales pueden ser difíciles de manejar para los controladores PID.
• Sensibilidad al ruido: El ruido de alta frecuencia de la señal errónea puede amplificarse mediante el control derivativo.
• Capacidad predictiva limitada: Basándose en tendencias históricas, responden a los errores pero son incapaces de anticiparse a otros nuevos.

Algunas pautas para optimizar los controladores PID

• La primera estrategia al ajustar un regulador PID es emplear el control proporcional. Cuando Ki y Kd son iguales a cero, comience a aumentar Kp hasta el punto en que se observe una oscilación sostenida del sistema. Esto le ayuda a comprender cómo afecta la ganancia proporcional a la respuesta del sistema global.
• El siguiente nivel es el control integral que se utiliza para eliminar el error de estado estacionario. Aumente gradualmente el Ki, pero puede ser necesario actuar con cautela, ya que demasiada actividad integral podría provocar la inestabilidad del sistema.
• A continuación, aplique el control derivativo para añadir más estabilidad y reducir el sobreimpulso. Modificar Kd para lograr una respuesta de equilibrio deseable.
• Considere la posibilidad de aplicar algunos métodos específicos de sintonización simplificada, por ejemplo, Cohen-Coon o Ziegler-Nichols, o tal vez intente aplicar soluciones de sintonización automática basadas en software.
• Por último, calibre y realice los ajustes necesarios en condiciones reales. Proceda a realizar los ajustes adicionales que sean necesarios para alcanzar el nivel de rendimiento óptimo.

Evolución del papel de los controladores PID en la industria 4.0

Industria 4.0: La creciente importancia de los controladores PID. Emplea tecnologías como la IA, el aprendizaje automático y el Internet de las cosas para desarrollarse. Estos avances benefician a los controladores PID de diversas maneras. El control adaptativo puede implicar además controladores PID que modifiquen continuamente los parámetros para mejorar el funcionamiento y la velocidad.

Los datos del PID se utilizan en el mantenimiento predictivo, cuyo objetivo es programar la reparación de los equipos para que la planta no se quede parada. La segunda prioridad es aumentar la eficiencia y agilizar los procesos mediante la conexión de objetos a través de la Internet de las Cosas (IoT) para controlarlos a distancia.

Además, basándose en la optimización de la IA, los ajustes del PID cambian dinámicamente para garantizar que los sistemas funcionen con la máxima eficiencia. Estas mejoras asegurarán que los controladores PID sigan siendo cruciales en el futuro entorno industrial interconectado e inteligente.

Nota final

Los controladores PID, apreciados por su resistencia, sencillez y adaptabilidad, siguen siendo una herramienta vital en la ingeniería de sistemas de control. Para aprovechar todo su potencial es necesario comprender los fundamentos de las acciones de control proporcional, integral y derivativo, así como las distinciones entre controladores analógicos y digitales y sus aplicaciones prácticas.

Aunque el ajuste del regulador PID puede resultar difícil, el uso de la técnica adecuada garantiza el máximo rendimiento. Las capacidades futuras de los controladores PID se verán reforzadas por la incorporación de tecnología punta, que previsiblemente los hará aún más necesarios a medida que cambien las tendencias del sector.

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