Fundamentos y Tipologías de Controladores Industriales: PID, Digital y Analógico

Sistema de Control

Un sistema de control es un conjunto racional y sistemático de equipos e intervención humana que permite operar el sistema controlado. Los objetivos principales de un sistema de control son:

• Eliminar la influencia de perturbaciones.
• Asegurar la estabilidad del proceso.
• Optimizar el proceso.

Técnicas de Control o Regulación Automática

Control Básico (Control por Retroalimentación o Lazo Cerrado)

Estas técnicas se basan en el control Feed Back (retroalimentación o de lazo cerrado). Las acciones de control más comunes son:

• Acciones primarias: Proporcional (P), Derivativo (D) (solo no actúa), Integral (I) (solo no actúa).
• Acciones combinadas: PI, PD, PID.
• Acciones discretas: Todo o nada (On/Off), flotante, proporcional en el tiempo, etc.

Control Avanzado

El control avanzado se basa en estrategias de control complejas. Aunque puede utilizar instrumentos analógicos, su implantación requiere necesariamente el tratamiento digital de la información. En el control avanzado se logra una mayor estabilidad y los lazos de control son más complejos.

Técnicas de control avanzado:

• Control en cascada.
• Control selectivo.
• Control Feed Forward.
• Control de Ratio (Ratio Control) y otros.

Tipos de Controladores

Controlador Clásico Analógico

El controlador clásico analógico está formado por un comparador y por el controlador propiamente dicho. Posee entradas y salidas analógicas (neumáticas o eléctricas).

Funcionamiento:

1. El comparador recibe dos señales: el Set Point (valor deseado) y la medida de la variable del proceso.
2. De esta comparación resulta una señal analógica que representa el error del sistema.
3. Esta señal de error se introduce en el controlador.
4. El controlador genera una respuesta (salida) de forma proporcional al error, integrando o derivando dicha respuesta.
5. La salida del controlador actuará sobre un elemento final de control.

Los controladores analógicos disponibles en el mercado suelen tener una escala entre 0 y 100, donde se marca tanto el Set Point como la medida actual del sistema.

Controladores Digitales

En este tipo de controladores se utiliza un microprocesador. La entrada de señal, el procesamiento y la salida son completamente digitales. Cuando es necesario conectar elementos analógicos y digitales, se utilizan conversores analógico-digital (para la entrada) y digital-analógico (para la salida).

Ventajas del Control Digital:

• La acción controladora se realiza mediante fórmulas incluidas en su software.
• Permite controlar muchos procesos independientes por medio de un multiplexor.
• Ofrece mayor exactitud.

Componentes y Conexión del Controlador Digital

Un controlador digital típicamente incluye:

• Un selector para configurarlo en modo manual o automático.
• Otro selector para definir el tipo de actuación (inversa o directa).
• La capacidad de programación mediante el algoritmo de control.

El control digital une el microprocesador, la memoria principal y los periféricos mediante:

• El bus de datos.
• El bus de direcciones.
• El bus de control.

Conceptos Clave

Retardo del Sistema

El retardo es el tiempo que necesita el sistema para dar la respuesta necesaria ante un cambio en el proceso, ya que la respuesta nunca es inmediata.

Controladores Discretos

Control Todo o Nada (On/Off)

Es la manera más simple de control y consiste en enviar o no una señal desde el controlador para regular el proceso, teniendo solo en cuenta si existe o no un error respecto al Set Point.

En un proceso químico, una oscilación en la regulación provoca que el elemento final actúe abriendo o cerrando el proceso, según esté diseñado el sistema para controlar la variable (acción directa o inversa). Con este controlador, una pequeña variación provoca una actuación sobre el elemento final para regularse.

Resumen: El controlador todo o nada funciona satisfactoriamente si el proceso tiene una velocidad de reacción lenta y posee un tiempo de retardo mínimo. Existe el controlador todo o nada de dos pasos (On/Off) que, por ejemplo, permite o no permite el paso de corriente.

Control Flotante

El control flotante es una variante del controlador todo o nada. Es un controlador de velocidad constante que mueve el elemento final de control a una velocidad única, independientemente de la desviación.

Ventaja: Compensa los cambios de carga lentos del proceso desplazando gradualmente la posición de la válvula.

Inconveniente: No es adecuado si existen retardos o cambios de carga rápidos.

La forma de controlar tiende a producir oscilaciones en la variable a controlar, pero estas pueden ser mínimas si se elige adecuadamente la velocidad de la válvula para compensar las características del proceso.