Tipos de regulación: Todo o nada, Proporcional, PID

Un regulador es un dispositivo capaz de efectuar un control o regulación sobre una magnitud física en un sistema. Es todo aquel dispositivo que nos permita controlar las variables de salida con objeto de llevar a nuestro sistema al estado deseado.

Todo o nada

Son aquellos que envían una señal de activación (si, encendido, 1) cuando la señal de entrada es inferior a un valor dado previamente como referencia y desactivan la señal de salida (no, apagado, 0) cuando la señal de entrada es superior a la señal de referencia.

Características: Es el tipo más sencillo y utilizado, muestra muchos de los compromisos fundamentales e inherentes a todas las soluciones de control.

Estos reguladores son aplicables en sistemas con gran efecto acumulativo de energía como puede ser el control de la temperatura. Este tipo se utiliza en los termostatos de aire acondicionado. Estos activan el frío (si) cuando la temperatura es mayor a la de referencia (la seleccionada por el usuario) y lo desactivan (no) cuando la temperatura en la sala es menor/igual a la de referencia. Otra aplicación es mantenimiento de agua de pozo en torno a punto de consigna.

Proporcional

Sistema de control de lazo cerrado con realimentación lineal. Consiste en amplificar la señal de error antes de aplicarla a la planta o proceso. Los reguladores proporcionales siempre tienen una respuesta con un error remanente que el sistema no puede compensar. Si el error es pequeño el controlador generará un pequeño cambio a la salida, si es grande el cambio también lo será. Un regulador proporcional puede considerarse un transformador de escala. Actúa desplazando la curva característica en función de la ganancia. (válvula flotador de la cisterna del aseo, regulador centrífugo). Este tipo de control es el que emplean la mayoría de los controladores que regulan la velocidad de un automóvil. Si el auto a controlar se mueve a una velocidad objetivo y esta aumenta ligeramente la potencia se reducirá ligeramente o en proporción al error de forma que el auto reduciría la velocidad de manera paulatina y esta se aproximaría a la velocidad objetivo. Y(t)=Kpe(t)->Kp->e(t) || y(t)=función de salida.

Proporcional Integral

No existen, actúan en combinación con reguladores proporcionales complementándose primero entra en acción el regulador proporcional mientras que el integral actúa tras un intervalo de tiempo. Y(t)=KI∫e(t) dt -> KI * ∫e(t)dt || Y(t)=Kpe(t)->Kp->e(t)

El tiempo integral regula la acción de control integral mientras que KI afecta a la parte integral y proporcional de la señal de control. La suma de un regulador PI será la suma de las respuestas debidas a un control proporcional P que será instantánea a la dirección de la señal de error y con cierto retardo entrará en acción el control integral I encargado de anular una señal de error. El control integral proporcional decrementará el tiempo de subida e incrementará el sobre impulso y el tiempo de estabilización.

Proporcional Integral Derivativo

El PID es un mecanismo de control que actúa por realimentación calculando la desviación o error existente entre el valor medido y el valor deseado y aplicando después una acción correctora que se ajuste al proceso. Un correcto funcionamiento del PID requiere:

Un sensor: que determine el estado del sistema y que podrá ser un termómetro, un caudalímetro, manómetro, etc..Un controlador: para generar la señal que gobierna al actuador, y un actuador que será modificado de manera controlada (resistencia, motor, válvula, bomba…).

El sensor proporcionará una señal analógica o digital al controlador que representará al punto actual en el detalle que haya el proceso o sistema. Esta señal puede ser un valor de tensión eléctrica intensidad de corriente o frecuencia, donde los dos primeros casos puede ser un valor de corriente alterna o de continua el último valor será alterna.

El controlador leerá una señal externa que representa el valor que se quiere alcanzar (punto de consigna) Esta señal habrá de ser de la misma naturaleza y rango que la señal del sensor. El controlador resta la señal de punto actual a la señal de punto de consigna y obtiene así la señal de error. Esta será empleada por los 3 componentes del controlador PID y la suma será la salida que el controlador utilizará para gobernar el actuador. La señal resultante de la suma se llama variable manipulada y no se aplica directamente sobre el actuador si no que deberá ser transformada para ser compatible con el actuador empleado.

Utilizar un PID garantiza un control óptimo del sistema. Se puede requerir solo uno o dos modos (PD, PI, P) El objetivo del PID es corregir de manera eficaz y en el menor tiempo posible el efecto de las perturbaciones.

Proporcional: Producto de la señal de error y la constante de la proporcionalidad. Error estacionario próximo a 0. Genera la parte principal del esfuerzo de corrección.

Integral: su objetivo es reducir y eliminar el error en estado estacionario producido por la acción proporcional.

Derivativo: la acción derivativa tiene como objetivo mantener el error al mínimo corrigiendo de manera proporcional a la misma velocidad que se produce y evitando de este modo que se incremente el error.

El objetivo de la acción proporcional en un controlador PID es conseguir que el error estacionario se aproxime a 0, estos valores solo serán óptimos en una porción dada del rango total de actuación del control, siendo diferentes los valores óptimos de la acción para cada porción del rango. Existe un valor de límite en la constante de la proporcionalidad a partir de la cual el sistema alcanzará valores superiores a los deseados. Por razones de seguridad no puede ser superior al 30%.

El control integral entra en acción cuando hay una desviación entre la variable y el punto de consigna. Integrando esta desviación en el tiempo y sumándole a la acción proporcional. La acción derivativa aparece cuando se produce un cambio en el valor absoluto del error. (si es constante solo participan dos modos P+I)

El control derivativo cuando el tiempo de acción derivada es grande existe inestabilidad en el proceso cuando es pequeño la variable oscila demasiado en relación al punto de consigna = complicaciones. El tiempo óptimo de acción derivativa es aquel que retorna la variable al punto de consigna con mínimas oscilaciones. La acción derivada es adecuada para sistemas donde tiempo de retardo sea considerable.

P: constante de proporcionalidad se puede ajustar como el valor de la ganancia del controlador o el porcentaje de banda proporcional.

I: constante de integración indica la velocidad con la que se repita la acción proporcional

D: constante de derivación puede hacer que la respuesta del sistema duplique si es necesario doblar el valor de error.

FORMULA: y(t)=Kpe(t) + ki∫e(t)dt+kp d(et)/dt

El ajuste de los parámetros del PID tiene objetivo conseguir que el bucle de control corrija de manera eficaz y en el menor tiempo posible los efectos de las perturbaciones.

Cómo efectuar el proceso de ajuste:

Se dispone el controlador una banda proporcional grande una máxima acción integral (tr máximo) y una mínima acción derivada (ta mínimo)

Se disminuye la banda proporcional hasta que aparezcan 3 picos en la oscilación de la medida y teniendo un error.

Se disminuye tr hasta que la respuesta sea rápida y se elimine el error

Se va incrementando ta:

-la respuesta empeore, ta=0 y dejamos controlador en P

-que la respuesta mejore (permite reducir BP y tr)

Bp: banda proporcional, ta: tiempo avance, tr: tiempo reajuste

Los PID se utilizan para control de la presión flujo fuerza y velocidad aplicaciones químicas y regulación velocidad coches.

Objetivos: facilitar trabajo operador, controlar procesos, lazos de temperatura (calentadores, refrigeradores, aa), lazos de nivel (tanques con líquidos agua, zumo, leche), lazos de presión (mantener presión de tanques), lazos de flujo (mantienen la cantidad de flujo dentro de una línea o tubo)

Todo-nada: barato simple, proporcional: simple, estable, fácil de ajustar, con desviación, proporcional+integral: sin desviación, puede ser inestable, PID: más compleja, más cara, sin desviación, da un mejor control pero ha de ser ajustada correctamente y es complicado.

¿Cuándo usar cuál?

Todo nada: aplicaciones donde sea posible ejecutar una acción de control positiva y negativa. Donde la capacidad de demanda sea grande y la de suministro pequeña.

Proporcional: sea tolerable un error en régimen permanente. La capacidad de demanda no es grande ni pequeña y la de suministro es de media a pequeña.

P+integral: cuando hay retardos en el proceso pero el desfase del proceso es moderado. Capacidad de demanda pequeña y suministro es grande.

PID: procesos lentos con múltiples capacidades, bucles de temperatura y presión de vapor. Si no hay ruido y se desea incrementar la respuesta.