Sistemas de Control Industrial: Funcionamiento de Controladores ON-OFF, P, PI y PID

Acción del Controlador

• Acción directa: La salida es alta si el error es menor que cero, y es baja si es mayor que cero.
• Acción inversa: Actúa de forma contraria a la acción directa.

Modo de Control Todo-Nada (ON-OFF)

• Control Todo-Nada (ON-OFF): La salida del controlador y tiene dos posibles valores: HIGH (alto) o LOW (bajo).

Respuesta del Controlador Todo-Nada

• La salida del proceso estará continuamente oscilando alrededor del Punto de Consigna (PC). Las desviaciones alrededor del punto del sistema dependen de la capacidad de almacenamiento de energía del proceso (a mayor capacidad, mayor desviación). Estos controladores son aplicables para procesos de temperatura, presión de tanque o nivel de depósito.

Control con Zona Muerta o Histéresis

• Alrededor del PC se presenta una histéresis en la que el regulador se comporta de forma diferente. Se establece histéresis en un controlador siempre y cuando la oscilación de la salida pase por el PC. Con esto se evita una frecuencia alta de apertura y apagado del sistema que puede llegar a dañar elementos mecánicos.

Modo de Control Proporcional

• Controlador Proporcional: La salida es proporcional a la señal de error.

Donde K es la ganancia del controlador y K0 es la salida del controlador cuando el error es cero. Generalmente, K0 = 0.5 del valor máximo de la salida del controlador.

Si M, PC, e y son porcentajes, la ecuación queda de la siguiente forma:

BP (Banda Proporcional): Por ejemplo, si un controlador tiene una BP = 10%, significa que cuando la medida cambie un 10% alrededor del PC, la salida cambiará de estado (por ejemplo, de válvula ON a OFF).

Desviación Permanente (Offset) y Estabilidad

• Desviación permanente (offset): Significa que el controlador mantendrá la medida en un valor diferente al PC. Es una característica indeseable del controlador proporcional.
  • Para conseguir un error muy pequeño, se debe ajustar la ganancia del controlador a un valor muy elevado, o la BP a un porcentaje pequeño.
• Estabilidad:
  • Una BP muy pequeña supone convertir el controlador en uno de tipo Todo-Nada; por lo tanto, si el proceso no tiene elementos almacenadores de energía, se vuelve inestable.
  • Para disminuir la oscilación de la salida, se aumenta la BP hasta que desaparezca la oscilación. Si la BP resulta ser muy alta, entonces se determina que el controlador proporcional no es apto para ese proceso específico.
• Se aplica en procesos en los que la variación de y produzca una variación de M menor, el tiempo muerto sea pequeño y la constante de tiempo sea elevada. (Se sugiere profundizar en la lectura técnica sobre este punto particular).

Acción de Control Integral

• Controlador con acción integral: La salida es proporcional a la integral en el tiempo de la señal de error.

Ti es el tiempo integral; cuanto menor sea su valor, mayor será el efecto de la acción integral.

• La salida del controlador varía a una velocidad que es proporcional al error.

• La acción integral aislada no se utiliza generalmente; se emplea en conjunto con la acción proporcional.

Acción de Control Proporcional-Integral (PI)

• Controlador Proporcional-Integral: La salida del controlador responde a la siguiente ecuación:

La acción integral equivale a un reajuste de offset automático.

Tr es el tiempo de reajuste, o sea, el tiempo que debe transcurrir para que la salida del controlador por acción integral se iguale a la salida por acción proporcional (Unidad de tiempo/repeticiones).

Su relación con la BP y el Ti es la siguiente:

Acción de Control Derivativo

• Regulador con acción derivativa: La salida del controlador es proporcional a la derivada con respecto al tiempo de la señal de error.

A Td se le denomina tiempo derivativo. Cuanto mayor sea, mayor efecto de acción derivativa tendrá el sistema.

La acción derivativa tiene un efecto anticipativo (tiende a corregir el error en el momento en que se detecta que este tiende a cambiar).

Si la medida que se tomará va a tener ruido, no se recomienda utilizar la acción derivativa.

Acción de Control Proporcional Derivativo (PD)

• Controlador Proporcional Derivativo:

Ta se conoce como tiempo de avance, y es el tiempo en que el efecto proporcional iguala al derivativo cuando el error varía linealmente. Su relación con Td y BP es:

Acción de Control PID

• Controlador PID: Combina las tres acciones anteriores para optimizar la respuesta del sistema.