Terminología Esencial y Funcionamiento de Controladores PID en Ingeniería Eléctrica
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Fundamentos de la Teoría de Control
A continuación, se presenta un glosario de términos esenciales utilizados en la implementación y sintonización de sistemas de control automático.
Definiciones Clave en Sistemas de Control Automático
Acción de control. La manera en la que el controlador automático produce la señal de control.
Controlador automático. Compara el valor real de la salida de una planta con la entrada de referencia (el valor deseado), determina la desviación y produce una señal de control que reduce la desviación a cero o a un valor pequeño.
Elemento de medición o sensor. Es un dispositivo que convierte la variable de salida en otra variable manejable, como un desplazamiento, una presión o un voltaje, que pueda usarse para comparar la salida con la señal de entrada de referencia.
Algoritmo de control. Es la expresión matemática que establece la relación entre la variable de entrada y la de salida de un controlador.
Brecha diferencial (Histéresis). El rango en el que debe moverse la señal de error antes de que ocurra la conmutación.
Ganancia ($K_c$). El incremento que sufre la variable controlada ante un incremento de la variable manipulada; también es conocida como la constante de proporcionalidad.
Offset (Error Permanente). Realiza una acción de control proporcional al error entre el punto de consigna y la variable controlada. Puede alcanzar condiciones estables manteniendo una desviación o error permanente (offset).
Reset (Acción Integral). La acción de control integral se denomina control de reajuste (reset). La acción integral añade un término al algoritmo que actúa en función de la integral del error. Por lo tanto, esta acción, al incorporar un término con la suma de los errores, solo se hará constante cuando este término lo sea, y para ello es necesario que el error sea cero.
Control ON/OFF (Control de Dos Posiciones). Supóngase que la señal de salida del controlador es $u(t)$ y que la señal de error es $e(t)$. En el control de dos posiciones, la señal $u(t)$ permanece en un valor ya sea máximo o mínimo, dependiendo de si la señal de error es positiva o negativa.
Tiempo derivativo ($T_D$). Es el intervalo de tiempo durante el cual la acción de la velocidad hace avanzar el efecto de la acción proporcional.
Sintonización (Tuning). Establecer el valor que deben tener los parámetros de Ganancia (Banda Proporcional), Tiempo Integral (Reset) y Tiempo Derivativo (Rate), para que el sistema responda de forma adecuada.
Velocidad de reajuste.
Características Operacionales de los Controladores
Control Proporcional (P)
- Acelera la respuesta del proceso controlado.
- Produce un offset (excepto en integradores puros).
Control Integral (PI)
- Elimina todo offset.
- Eleva las desviaciones máximas.
- Produce respuestas arrastradas y largas oscilaciones.
- El aumento de $K_c$ acelera la respuesta, pero produce más oscilaciones y puede llegar a desestabilizar el sistema.
Control Derivativo (PD)
- Anticipa el error y actúa en función del error que iría a ocurrir.
- Estabiliza la respuesta de bucle cerrado.
Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID)
Esta acción combinada tiene las ventajas de cada una de las tres acciones de control individuales, ofreciendo un equilibrio óptimo entre velocidad, estabilidad y eliminación de error permanente.