Fundamentos de Sistemas de Control Industrial y Sintonización de Controladores PID

Bloque 1 – Lazo de control, señales y representación por bloques

1. Explique qué representan SP, PV y error en un lazo de control cerrado

SP es el valor deseado, PV es el valor medido de la variable, y el error es la diferencia entre ambos: e=SP−PVe = SP - PVe=SP−PV.

2. Explique qué diferencia hay entre variable controlada y variable manipulada, usando un ejemplo industrial simple.
La variable controlada es la que se quiere mantener en cierto valor; la manipulada es la que se modifica para lograrlo. Ejemplo: controlar temperatura variando el caudal de vapor.

3. Explique qué función cumplen el sensor, el controlador, el actuador y el proceso dentro de un lazo cerrado

El sensor mide, el controlador decide la corrección, el actuador ejecuta la acción y el proceso es el sistema físico controlado.

4. Explique por qué se dice que controlar consiste en medir, comparar y corregir

Controlar es medir la variable, compararla con la consigna y corregir la diferencia mediante una acción de control.

5. Explique la diferencia entre un sistema de lazo abierto y uno de lazo cerrado, indicando qué papel cumple la medición.
En lazo abierto no se usa la medición para corregir; en lazo cerrado sí se mide la salida y se realimenta al controlador.

6. Explique qué es una perturbación y cómo puede afectar a la variable controlada

Una perturbación es una variación externa que afecta al proceso, por ejemplo un cambio de carga, caudal, temperatura ambiente o presión.

7. Explique qué diferencia hay entre acción directa y acción inversa de un controlador, indicando qué debe analizarse para decidirla.
En acción directa, si aumenta la PV aumenta la salida del controlador; en inversa ocurre lo contrario. Se decide analizando proceso, válvula y seguridad.

8. Explique por qué la transformada de Laplace resulta útil para representar sistemas dinámicos mediante bloques

La transformada de Laplace permite representar ecuaciones diferenciales como funciones algebraicas, facilitando el análisis por bloques.

9. Explique qué significa que una función de transferencia represente la relación entre una entrada y una salida

Una función de transferencia expresa cómo responde una salida ante una entrada, normalmente como cociente G(s)=Y(s)/U(s)G(s)=Y(s)/U(s)G(s)=Y(s)/U(s).

10. Explique por qué, al obtener una función de transferencia, normalmente se trabaja con condiciones iniciales cero.
Se usan condiciones iniciales cero para estudiar solo el efecto de la entrada sobre el sistema, sin mezclarlo con estados previos.

Bloque 2 – Error estacionario y tipo de sistema

11. Explique qué se entiende por error en estado estacionario y en qué momento de la respuesta se evalúa

El error estacionario es el error que queda cuando la respuesta transitoria ya terminó y el sistema alcanzó régimen permanente.

12. Explique por qué el error estacionario sólo tiene sentido si el sistema en lazo cerrado es estable

Solo tiene sentido si el lazo cerrado es estable, porque si la salida diverge no existe un valor final de error.

13. Explique qué significa el “tipo” de un sistema en relación con la cantidad de integradores en la trayectoria directa.
El tipo de sistema depende de cuántos integradores hay en la trayectoria directa; más integradores suelen mejorar el seguimiento estacionario.

14. Explique por qué un integrador puede ayudar a reducir o eliminar error estacionario

Un integrador acumula error y sigue corrigiendo mientras haya diferencia entre SP y PV, por eso puede eliminar error permanente.

15. Explique qué riesgo aparece al agregar integradores, aunque mejoren la precisión estacionaria

Agregar integradores puede mejorar precisión, pero aumenta el riesgo de oscilaciones, lentitud o inestabilidad.

16. Explique por qué un sistema puede tener error estacionario distinto según la entrada sea escalón, rampa o parábola.
El error depende de la forma de entrada porque no es igual seguir una constante que una rampa o una parábola.

17. Explique por qué un sistema con un integrador puede eliminar error ante una referencia constante, pero no necesariamente ante una referencia que cambia en rampa.
Un integrador elimina error ante entrada constante, pero para una rampa puede quedar error si el sistema no tiene suficientes integradores.

18. Explique la diferencia conceptual entre reducir el offset aumentando ganancia proporcional y eliminarlo mediante acción integral.
Aumentar ganancia proporcional reduce offset, pero no siempre lo elimina; la acción integral lo elimina acumulando error en el tiempo.

19. Explique por qué no conviene confundir la ganancia proporcional de un controlador con las constantes usadas para calcular error estacionario.
La ganancia proporcional del controlador no es lo mismo que las constantes de error KpK_pKp​, KvK_vKv​, KaK_aKa​, aunque estén relacionadas.

20. Explique qué compromiso existe entre precisión estacionaria, estabilidad y respuesta transitoria

Mayor precisión puede exigir más ganancia o integración, pero eso puede empeorar estabilidad, sobreimpulso o tiempo de respuesta.

Bloque 3 – Estabilidad, polos y Routh-Hurwitz

21. Explique qué significa estabilidad BIBO en términos de entrada y salida del sistema

Estabilidad BIBO significa que una entrada acotada produce una salida acotada.

22. Explique por qué conviene verificar estabilidad del lazo cerrado antes de aceptar un cálculo de error estacionario.
Antes de calcular error estacionario hay que verificar estabilidad, porque un sistema inestable no alcanza régimen permanente.

23. Explique qué relación hay entre los polos de una función de transferencia y los modos temporales de la respuesta.
Los polos determinan los modos temporales de la respuesta: exponenciales, oscilaciones, velocidad de decaimiento o crecimiento.

24. Explique por qué los polos en el semiplano izquierdo se asocian con respuestas que decaen

Los polos en el semiplano izquierdo generan términos que decaen con el tiempo, por eso se asocian a estabilidad.

25. Explique por qué un polo en el semiplano derecho vuelve inestable al sistema

Un polo en el semiplano derecho genera una respuesta creciente, por lo que vuelve inestable al sistema.

26. Explique por qué un polo sobre el eje imaginario no se acepta como estabilidad estricta en el sentido BIBO trabajado en el curso.
Un polo sobre el eje imaginario produce oscilaciones sostenidas; no cumple estabilidad BIBO estricta.

27. Explique la diferencia entre estabilidad absoluta y estabilidad relativa

La estabilidad absoluta indica si el sistema es estable o no; la relativa indica qué tan cerca está de ser inestable.

28. Explique por qué un sistema puede ser estable y aun así tener una respuesta lenta, muy oscilatoria o poco conveniente.
Un sistema puede ser estable pero tener respuesta lenta, mucho sobreimpulso u oscilaciones poco aceptables.

29. Explique para qué sirve el criterio de Routh-Hurwitz cuando se analiza un polinomio carácterístico

Routh-Hurwitz permite determinar estabilidad analizando el polinomio carácterístico sin calcular explícitamente sus raíces.

30. Explique qué información entrega el número de cambios de signo en la primera columna de la tabla de Routh

Los cambios de signo en la primera columna indican cuántos polos hay en el semiplano derecho.

Bloque 4 – Modos básicos de control: ON/OFF, P, I y D

31. Explique cómo actúa un controlador ON/OFF y en qué tipo de situaciones puede ser suficiente

El control ON/OFF solo tiene dos estados: encendido o apagado. Sirve en procesos simples donde no se requiere gran precisión.

32. Explique por qué un control ON/OFF normalmente hace que la variable controlada oscile alrededor de la consigna

Oscila porque el actuador cambia bruscamente entre dos estados y el proceso tiene retardo o inercia.

33. Explique para qué sirve la histéresis o banda diferencial en un control ON/OFF

La histéresis evita conmutaciones rápidas alrededor del setpoint, protegiendo actuadores y reduciendo desgaste.

34. Explique qué puede ocurrir si la banda diferencial de un control ON/OFF es demasiado angosta o demasiado amplia.
Si es muy angosta, el equipo conmuta demasiado; si es muy amplia, la variable se aleja mucho de la consigna.

35. Explique qué significa que un controlador proporcional aplique una acción graduada según el error

Un proporcional entrega una acción continua proporcional al error: cuanto mayor error, mayor corrección.

36. Explique qué efecto tiene aumentar la ganancia proporcional y qué riesgos introduce si se aumenta demasiado

Aumentar KcK_cKc​ mejora rapidez y reduce offset, pero si es excesiva puede causar oscilaciones o inestabilidad.

37. Explique por qué un controlador proporcional puro puede dejar offset en un proceso autorregulado

En procesos autorregulados, el proporcional puro necesita un error permanente para generar una acción de control distinta de cero.

38. Explique qué significa que la acción integral acumula error en el tiempo

La acción integral suma el error a lo largo del tiempo y aumenta la corrección mientras el error persista.

39. Explique por qué la acción integral puede eliminar offset, pero también puede hacer que la respuesta sea más lenta u oscilatoria.
El integral elimina offset, pero puede hacer la respuesta más lenta, oscilatoria o provocar windup si hay saturación.

40. Explique qué es la acción derivativa y por qué se la asocia con anticipación o amortiguamiento

La derivativa actúa según la velocidad de cambio del error; anticipa tendencias y puede aportar amortiguamiento.

Bloque 5 – PI, PD, PID, saturación y ajuste

41. Explique por qué se dice que la acción proporcional mira el error presente, la integral mira el error acumulado y la derivativa mira la tendencia.
La P responde al error actual, la I al error acumulado y la D a qué tan rápido cambia el error.

42. Explique qué forma cualitativa tienen las contribuciones P, I y D ante un escalón de error

Ante un escalón de error: P salta, I crece en rampa y D produce un pico inicial si el cambio es brusco.

43. Explique por qué la acción derivativa puede ayudar a reducir sobreimpulso

La derivativa frena cambios rápidos, por eso puede reducir sobreimpulso y mejorar el amortiguamiento.

44. Explique por qué la acción derivativa puede ser problemática si la medición tiene mucho ruido

Como deriva la señal, amplifica variaciones rápidas; si hay ruido en la medición, puede generar una acción errática.

45. Explique por qué un controlador PI suele ser más útil que un proporcional puro cuando se busca eliminar offset

El PI es útil porque combina respuesta proporcional con eliminación de offset mediante la acción integral.

46. Explique por qué un controlador PD puede mejorar el comportamiento transitorio, pero no garantiza eliminar offset.
El PD mejora la respuesta transitoria y reduce sobreimpulso, pero no elimina offset porque no acumula error.

47. Explique qué es la saturación integral o windup y en qué condiciones puede aparecer

El windup ocurre cuando el integral sigue acumulando error aunque el actuador esté saturado y no pueda corregir más.

48. Explique por qué no conviene copiar directamente parámetros PID de un controlador a otro sin revisar la forma de la ecuación usada.
No conviene copiar parámetros porque cada controlador puede usar una forma distinta de ecuación PID y unidades diferentes.

49. Explique qué significa ajustar un PID buscando una respuesta robusta, y por qué eso no equivale simplemente a hacerla lo más rápida posible.
Ajustar robusto significa buscar una respuesta estable y segura ante cambios o perturbaciones, no simplemente la más rápida.

50. Explique qué aspectos conviene revisar antes de ajustar un PID o aplicar un método de ajuste, como sensor, actuador, proceso, límites y seguridad.
Antes de ajustar hay que revisar sensor, ruido, actuador, saturaciones, dinámica del proceso, seguridad y límites operativos.

Bloque 6 – Procesos industriales, instrumentación y P&ID

51. Explique por qué los lazos de flujo suelen ser rápidos y qué consecuencia tiene eso para el ajuste del controlador.
Los lazos de flujo suelen ser rápidos porque el caudal cambia casi inmediatamente; por eso requieren ajustes cuidadosos y no muy agresivos.

52. Explique por qué en lazos rápidos y con medición ruidosa suele evitarse la acción derivativa

En lazos rápidos con ruido se evita la derivativa porque amplifica el ruido y puede hacer inestable o errática la acción de control.

53. Explique por qué, en un lazo de presión de líquido, no alcanza con suponer una relación lineal simple entre apertura de válvula, caudal y presión.
En presión de líquidos intervienen pérdidas de carga, curva de bomba, válvula y red hidráulica; no suele ser una relación lineal simple.

54. Explique qué significa que el nivel de un tanque tenga capacitancia dominante

Que el nivel tenga capacitancia dominante significa que el tanque acumula volumen, haciendo que el nivel cambie lentamente.

55. Explique por qué un control de nivel demasiado estricto puede ser indeseable cuando el tanque funciona como pulmón o amortiguador.
Si el tanque actúa como pulmón, no conviene controlar el nivel demasiado rígido porque perdería su función de amortiguar variaciones.

56. Explique por qué la presión de un gas en un volumen grande suele comportarse como un proceso lento y de gran capacitancia.
Un gas en gran volumen tiene alta capacitancia porque se comprime y acumula masa, haciendo lenta la variación de presión.

57. Explique por qué los procesos de temperatura suelen presentar capacitancia térmica y tiempo muerto significativo.
Los procesos térmicos son lentos porque acumulan energía y suelen tener retardos por transferencia de calor y ubicación del sensor.

58. Explique qué diferencia de control aparece entre un proceso térmico endotérmico y uno exotérmico, especialmente respecto al aporte o extracción de calor y la seguridad.
En endotérmicos se debe aportar calor; en exotérmicos puede ser necesario retirarlo. En exotérmicos la seguridad es más crítica por riesgo de runaway.

59. Explique por qué la estrategia de control en un sistema de bombeo depende del tipo de bomba y del elemento final utilizado.
La estrategia depende de si la bomba es centrífuga o de desplazamiento positivo y si se controla con válvula, variador u otro actuador.

60. Explique cómo leer de forma básica un lazo en un P&ID, identificando variable, instrumento, controlador, señal y elemento final de control.
En un P&ID se identifica la variable por el tag, el instrumento que mide, el controlador, el tipo de señal y el elemento final como válvula o variador.