Comprensión del controlador PID

La primera evaluación exitosa de la teoría de control PID se verificó prácticamente en el campo de los sistemas de gobierno automático para barcos, alrededor del año 1920. Después de esto, se aplicó en varios controles de procesos automáticos industriales que requerían especificaciones de producción de producción optimizadas y precisas. Para las unidades de fabricación, PID se implementó popularmente para lograr un control neumático preciso y, en última instancia, la teoría PID se aplicó en los controladores electrónicos en los tiempos modernos.

¿Qué es el controlador PID?

El término PID es el acrónimo de controlador derivado integral proporcional, que es un mecanismo de bucle de retroalimentación, diseñado para controlar con precisión varias maquinarias de control industrial y muchas otras aplicaciones similares que requieren controles de modulación críticos y automatizados.

Para implementar esto, un controlador PID monitorea continuamente el funcionamiento del sistema y calcula el elemento de error inducido. Luego evalúa este valor de error instantáneo en forma de diferencia entre el punto de ajuste requerido (SP) y la variable de proceso medida (PV).

Con referencia a lo anterior, se ejecuta una corrección de retroalimentación instantánea y automática en términos de expresiones proporcionales (P), integrales (I) y derivadas (D), y de ahí el nombre controlador PID.

En palabras simples, un controlador PID monitorea continuamente el funcionamiento de un sistema de máquina dado y sigue corrigiendo su respuesta de salida en función de las variaciones causadas por influencias externas, a través de un algoritmo específico. De esta forma se asegura que la máquina siempre funcione dentro de las condiciones ideales estipuladas.

Comprensión del diagrama de bloques PID

Un controlador PID se considera un sistema de control versátil debido a su capacidad para detectar y gestionar 3 parámetros de control: proporcional, integral y derivativo, y aplicar el control óptimo deseado en la salida con extrema precisión, con referencia a estos 3 parámetros.

La siguiente imagen muestra el diagrama de bloques del PID. Podemos comprender rápidamente el principio básico de funcionamiento de un PID consultando este diagrama de bloques.

imagen cortesía: en.wikipedia.org/wiki/File:PID_en.svg

Aquí podemos ver un conjunto de variables tales como e (t) correspondiente al valor de error, r (t) correspondiente al punto de ajuste objetivo e y (t) como la variable de proceso medida. El controlador PID supervisa durante todo su funcionamiento el valor de error e (t) evaluando la diferencia entre el punto de ajuste previsto r (t) o SP y el valor de proceso medido y (t) o PV y, en consecuencia, ejecuta una corrección u optimización de retroalimentación utilizando los parámetros. a saber: proporcional, integral y derivada.

El controlador continúa haciendo un esfuerzo para reducir el efecto de error en todo momento, ajustando la variable de control u (t) a valores nuevos basados ​​en la suma ponderada analizada de los términos de control (p, I, d).

Por ejemplo, en el funcionamiento de un control de válvula, un PID puede variar continuamente su apertura y cierre mediante evaluaciones complejas, como se explicó anteriormente.

En el sistema mostrado, los distintos términos pueden entenderse como se explica a continuación:

P- Controlador:

El término P es proporcional a los valores de error instantáneos e (t) adquiridos al evaluar el resultado de SP - PV. En situaciones en las que el valor de error tiende a ser grande, la salida de control también se vuelve proporcionalmente mayor con referencia al factor de ganancia “K”. Sin embargo, en un proceso que requiere compensación, como en el control de temperatura, el control proporcional solo puede generar imprecisiones en el punto de ajuste y el valor real del proceso, ya que no puede funcionar satisfactoriamente sin una retroalimentación de error para generar la respuesta proporcional. Implica que sin una retroalimentación de error, es posible que no sea posible una respuesta correctiva adecuada.

I- Controlador:

El término I se hace responsable de los valores previamente evaluados de SP - PV errores, y los integra durante su período operativo para crear el término I. Por ejemplo, mientras se aplica el control proporcional si el SP - PV produce algún error, el parámetro I se activa e intenta terminar este error residual. En realidad, esto sucede con una respuesta de control activada debido al valor acumulativo del error registrado en un momento anterior. Tan pronto como esto sucede, el término I deja de mejorar. Esto hace que el efecto proporcional se minimice de manera correspondiente a medida que disminuye el factor de error, aunque esto también se compensa a medida que se desarrolla el efecto integral.

D- Controlador:

El término D es la aproximación más adecuada deducida para las tendencias evolutivas del error SP - PV, dependiendo de la tasa instantánea de cambio del factor de error. Si esta tasa de cambio aumenta rápidamente, el control de retroalimentación se implementa de manera más agresiva y viceversa.

¿Qué es el ajuste PID?

Los parámetros discutidos anteriormente pueden requerir un equilibrio correcto para asegurar una función de control óptima, y ​​esto se logra a través de un proceso llamado 'ajuste de bucle'. Las constantes de ajuste involucradas se denotan como 'K' como se muestra en las siguientes deducciones. Cada una de estas constantes debe derivarse individualmente para una aplicación seleccionada, ya que las constantes dependen estrictamente y varían según las características e influencias de los parámetros externos específicos involucrados en el bucle. Estos pueden incluir la respuesta de los sensores empleados para medir un parámetro dado, el elemento de estrangulamiento final como una válvula de control, un posible tiempo transcurrido en la señal del bucle y el proceso en sí, etc.

Puede ser aceptable emplear valores aproximados para las constantes al inicio de la implementación según el tipo de aplicación; sin embargo, esto puede requerir en última instancia algunos ajustes y ajustes serios mediante la experimentación práctica, forzando cambios en los puntos de ajuste y observando posteriormente la respuesta del control de sistema.

Ya sea un modelo matemático o un bucle práctico, ambos pueden verse empleando una acción de control 'directa' para los términos especificados. Es decir, cuando se detecta un aumento en un error positivo, se inicia un control positivo correspondientemente aumentado para controlar la situación de los términos involucrados resumidos.

Sin embargo, puede ser necesario invertir esto en aplicaciones en las que el parámetro de salida puede tener una característica configurada de manera opuesta que requiera una medida correctiva inversa. Consideremos el ejemplo de un circuito de flujo en el que el proceso de apertura de la válvula está especificado para operar usando una salida de 100% y 0%, pero necesita ser controlado con una salida correspondiente de 0% y 100%; en este caso, un control correctivo inverso se vuelve esencial. Para ser más precisos, considere un sistema de refrigeración por agua que tiene una función de protección en la que se requiere que su válvula esté 100% abierta durante una pérdida de señal. En este caso, la salida del controlador debe poder cambiar a control de 0% en ausencia de una señal, de modo que la válvula pueda abrirse en un 100% completo, esto se denomina control de “acción inversa”.

Modelo matemático de la función de control

En este modelo matemático, todas las constantes no negativas Kp, Ki y Kd significan coeficientes para los términos proporcional, integral y derivado respectivamente (en algunas ocasiones también se denominan P, I y D).

Personalización de términos de control PID

De las discusiones anteriores, entendimos que fundamentalmente el sistema de control PID funciona con tres parámetros de control, sin embargo, algunas aplicaciones más pequeñas pueden preferir usar un par de estos términos o incluso un solo término de los tres términos.

La personalización se realiza convirtiendo el término no utilizado en un ajuste cero e incorporando el par de términos PI, PD o términos únicos como P o I. Entre estos, la configuración del controlador PI es más común ya que el término D suele ser propenso al ruido. influencias y, por tanto, eliminadas en la mayoría de los casos, a menos que sea estrictamente obligatorio. El término I normalmente se incluye ya que asegura que el sistema logre el valor objetivo óptimo deseado en la salida.