Qué es un controlador PID: funcionamiento y sus aplicaciones

Como sugiere el nombre, este artículo dará una idea precisa sobre la estructura y el funcionamiento del controlador PID. Sin embargo, entrando en detalles, veamos una introducción sobre los controladores PID. Los controladores PID se encuentran en una amplia gama de aplicaciones para el control de procesos industriales. Aproximadamente el 95% de las operaciones de circuito cerrado del automatización industrial sector utiliza controladores PID. PID significa Proporcional-Integral-Derivado. Estos tres controladores se combinan de tal manera que producen una señal de control. Como controlador de retroalimentación, entrega la salida de control a los niveles deseados. Antes de que se inventaran los microprocesadores, los componentes electrónicos analógicos implementaban el control PID. Pero hoy en día todos los controladores PID son procesados ​​por microprocesadores. Controladores lógicos programables también tienen las instrucciones del controlador PID incorporadas. Debido a la flexibilidad y confiabilidad de los controladores PID, estos se utilizan tradicionalmente en aplicaciones de control de procesos.

¿Qué es un controlador PID?

El término PID significa derivada integral proporcional y es un tipo de dispositivo que se utiliza para controlar diferentes variables de proceso como presión, flujo, temperatura y velocidad en aplicaciones industriales. En este controlador, se utiliza un dispositivo de retroalimentación de bucle de control para regular todas las variables del proceso.

Este tipo de control se utiliza para impulsar un sistema en la dirección de una ubicación objetivo que de otro modo sería nivelada. Está en casi todas partes para el control de la temperatura y se utiliza en procesos científicos, automatización y una miríada de productos químicos. En este controlador, la retroalimentación de bucle cerrado se utiliza para mantener la salida real de un método como cerca del objetivo, de lo contrario, la salida en el punto fijo si es posible. En este artículo, se discute el diseño del controlador PID con modos de control utilizados en ellos como P, I y D.

Historia

La historia del controlador PID es: En el año 1911, Elmer Sperry desarrolló el primer controlador PID. Después de eso, TIC (Taylor Instrumental Company) se implementó un antiguo controlador neumático con completamente sintonizable en el año 1933. Después de unos años, los ingenieros de control eliminaron el error de estado estable que se encuentra dentro de los controladores proporcionales volviendo a sintonizar el final a algún valor falso hasta que el error no fue cero.

Esta resintonización incluyó el error que se conoce como controlador proporcional-integral. Posteriormente, en el año 1940, se desarrolló el primer controlador PID neumático mediante una acción derivada para reducir los problemas de sobreimpulso.

En 1942, Ziegler & Nichols introdujeron reglas de ajuste para descubrir y establecer los parámetros adecuados de los controladores PID por parte de los ingenieros. Por fin, los controladores PID automáticos se utilizaron ampliamente en las industrias a mediados de 1950.

Diagrama de bloques del controlador PID

Un sistema de circuito cerrado como un controlador PID incluye un sistema de control de retroalimentación. Este sistema evalúa la variable de retroalimentación utilizando un punto fijo para generar una señal de error. Basado en eso, altera la salida del sistema. Este procedimiento continuará hasta que el error llegue a cero; de lo contrario, el valor de la variable de retroalimentación será equivalente a un punto fijo.

Este controlador proporciona buenos resultados en comparación con el controlador de tipo ON / OFF. En el controlador de tipo ON / OFF, simplemente se pueden obtener dos condiciones para administrar el sistema. Una vez que el valor del proceso es menor que el punto fijo, entonces se encenderá. De manera similar, se apagará una vez que el valor sea mayor que un valor fijo. La salida no es estable en este tipo de controlador y oscilará con frecuencia en la región del punto fijo. Sin embargo, este controlador es más estable y preciso en comparación con el controlador de tipo ON / OFF.

Funcionamiento del controlador PID

Funcionamiento del controlador PID

Con el uso de un controlador ON-OFF simple de bajo costo, solo son posibles dos estados de control, como completamente encendido o completamente apagado. Se utiliza para una aplicación de control limitada donde estos dos estados de control son suficientes para el objetivo de control. Sin embargo, la naturaleza oscilante de este control limita su uso y, por lo tanto, está siendo reemplazado por controladores PID.

El controlador PID mantiene la salida de manera que no haya ningún error entre la variable de proceso y el punto de ajuste / salida deseada por operaciones de lazo cerrado. PID utiliza tres comportamientos de control básicos que se explican a continuación.

P- Controlador

El controlador proporcional o P da una salida que es proporcional al error actual e (t). Compara el punto de ajuste o deseado con el valor real o el valor del proceso de retroalimentación. El error resultante se multiplica por una constante proporcional para obtener la salida. Si el valor de error es cero, entonces esta salida del controlador es cero.

Controlador P

Este controlador requiere polarización o reinicio manual cuando se usa solo. Esto se debe a que nunca alcanza la condición de estado estable. Proporciona un funcionamiento estable pero siempre mantiene el error de estado estable. La velocidad de la respuesta aumenta cuando aumenta la constante proporcional Kc.

Respuesta del controlador P

Yo-controlador

Debido a la limitación del controlador p, donde siempre existe una compensación entre la variable de proceso y el punto de ajuste, se necesita un controlador I, que proporciona la acción necesaria para eliminar el error de estado estable. Integra el error durante un período de tiempo hasta que el valor del error llega a cero. Mantiene el valor en el dispositivo de control final en el que el error se vuelve cero.

Controlador PI

El control integral disminuye su salida cuando se produce un error negativo. Limita la velocidad de respuesta y afecta la estabilidad del sistema. La velocidad de la respuesta aumenta al disminuir la ganancia integral, Ki.

Respuesta del controlador PI

En la figura anterior, a medida que disminuye la ganancia del controlador I, el error de estado estable también continúa disminuyendo. En la mayoría de los casos, el controlador PI se utiliza especialmente cuando no se requiere una respuesta de alta velocidad.

Mientras se usa el controlador PI, la salida del controlador I se limita a un cierto rango para superar el cuerda integral condiciones en las que la salida integral sigue aumentando incluso en el estado de error cero, debido a no linealidades en la planta.

Controlador D

I-controller no tiene la capacidad de predecir el comportamiento futuro del error. Por lo que reacciona normalmente una vez que se cambia el punto de ajuste. El controlador D supera este problema anticipando el comportamiento futuro del error. Su salida depende de la tasa de cambio del error con respecto al tiempo, multiplicada por la constante derivada. Da el impulso inicial para la salida, lo que aumenta la respuesta del sistema.

Controlador PID

En la respuesta de la figura anterior de D, el controlador es más, en comparación con el controlador PI, y también se reduce el tiempo de establecimiento de la salida. Mejora la estabilidad del sistema compensando el retraso de fase causado por el controlador I. El aumento de la ganancia derivada aumenta la velocidad de respuesta.

Respuesta del controlador PID

Entonces finalmente observamos que al combinar estos tres controladores, podemos obtener la respuesta deseada para el sistema. Diferentes fabricantes diseñan diferentes algoritmos PID.

Tipos de controlador PID

Los controladores PID se clasifican en tres tipos: controladores de encendido / apagado, proporcionales y estándar. Estos controladores se utilizan en función del sistema de control, el usuario puede utilizar el controlador para regular el método.

Control de ENCENDIDO / APAGADO

Un método de control de encendido y apagado es el tipo de dispositivo más simple utilizado para el control de temperatura. La salida del dispositivo puede estar ENCENDIDA / APAGADA sin un estado central. Este controlador encenderá la salida simplemente una vez que la temperatura cruce el punto fijo. Un controlador de límite es un tipo particular de controlador de ENCENDIDO / APAGADO que usa un relé de enclavamiento. Este relé se reinicia manualmente y se usa para apagar un método una vez que se alcanza una cierta temperatura.

Control proporcional

Este tipo de controlador está diseñado para eliminar el ciclo que está conectado a través del control ON / OFF. Este controlador PID reducirá la energía normal que se suministra al calentador una vez que la temperatura alcanza el punto fijo.

Este controlador tiene una función para controlar el calentador para que no exceda el punto fijo, sin embargo, alcanzará el punto fijo para mantener una temperatura constante.
Este acto de dosificación se puede lograr encendiendo y apagando la salida durante pequeños períodos de tiempo. Esta proporción de tiempo cambiará la relación de tiempo de ENCENDIDO a tiempo de APAGADO para controlar la temperatura.

Controlador PID de tipo estándar

Este tipo de controlador PID fusionará el control proporcional a través del control integral y derivado para ayudar automáticamente a la unidad a compensar las modificaciones dentro del sistema. Estas modificaciones, integral y derivada se expresan en unidades basadas en el tiempo.

Estos controladores también se refieren a través de sus recíprocos, RATE & RESET correspondientemente. Los términos de PID deben ajustarse por separado; de lo contrario, deben ajustarse a un sistema específico con prueba y error. Estos controladores ofrecerán el control más preciso y constante de los 3 tipos de controladores.

Controladores PID en tiempo real

En la actualidad, hay varios tipos de controladores PID disponibles en el mercado. Estos controladores se utilizan para requisitos de control industrial como presión, temperatura, nivel y flujo. Una vez que estos parámetros se controlan a través de PID, las opciones comprenden utilizar un controlador PID separado o un PLC.
Estos controladores separados se emplean donde sea que se requiera verificar uno o dos bucles, así como controlarlo de otra manera en las condiciones donde sea complejo a la derecha de entrada a través de sistemas más grandes.

Estos dispositivos de control ofrecen diferentes opciones para el control de bucle individual y doble. Los controladores PID de tipo autónomo proporcionan varias configuraciones de punto fijo para producir varias alarmas autónomas.
Estos controladores independientes comprenden principalmente controladores PID de Honeywell, controladores de temperatura de Yokogawa, controladores de autoajuste de controladores OMEGA, Siemens y ABB.

Los PLC se utilizan como controladores PID en la mayoría de las aplicaciones de control industrial. La disposición de los bloques PID se puede realizar dentro de los PAC o PLC para ofrecer opciones superiores para un control PLC exacto. Estos controladores son más inteligentes y potentes en comparación con los controladores separados. Cada PLC incluye el bloque PID dentro de la programación del software.

Métodos de ajuste

Antes de que tenga lugar el funcionamiento del controlador PID, debe ajustarse para adaptarse a la dinámica del proceso a controlar. Los diseñadores dan los valores predeterminados para los términos P, I y D, y estos valores no pueden dar el rendimiento deseado y, a veces, provocan inestabilidad y rendimientos de control lentos. Se desarrollan diferentes tipos de métodos de ajuste para ajustar los controladores PID y requieren mucha atención por parte del operador para seleccionar los mejores valores de ganancias proporcionales, integrales y derivadas. Algunos de estos se dan a continuación.

Los controladores PID se utilizan en la mayoría de las aplicaciones industriales, pero se debe conocer la configuración de este controlador para ajustarlo correctamente y generar la salida preferida. Aquí, el ajuste no es más que el procedimiento de recibir una respuesta ideal del controlador mediante el establecimiento de las mejores ganancias proporcionales, factores integrales y derivados.

La salida deseada del controlador PID se puede obtener ajustando el controlador. Hay diferentes técnicas disponibles para obtener la salida requerida del controlador como prueba y error, Zeigler-Nichols y curva de reacción del proceso. Los métodos más utilizados son prueba y error, Zeigler-Nichols, etc.

Método de prueba y error: Es un método simple de ajuste del controlador PID. Mientras el sistema o el controlador está funcionando, podemos ajustar el controlador. En este método, primero, tenemos que establecer los valores de Ki y Kd en cero y aumentar el término proporcional (Kp) hasta que el sistema alcance un comportamiento oscilante. Una vez que esté oscilando, ajuste Ki (término integral) para que las oscilaciones se detengan y finalmente ajuste D para obtener una respuesta rápida.

Técnica de la curva de reacción del proceso: Es una técnica de afinación de bucle abierto. Produce una respuesta cuando se aplica una entrada escalonada al sistema. Inicialmente, tenemos que aplicar alguna salida de control al sistema manualmente y tenemos que registrar la curva de respuesta.

Después de eso, necesitamos calcular la pendiente, el tiempo muerto, el tiempo de subida de la curva y finalmente sustituir estos valores en las ecuaciones P, I y D para obtener los valores de ganancia de los términos PID.

Curva de reacción del proceso

Método Zeigler-Nichols: Zeigler-Nichols propuso métodos de circuito cerrado para ajustar el controlador PID. Estos son el método de ciclo continuo y el método de oscilación amortiguada. Los procedimientos para ambos métodos son los mismos, pero el comportamiento de oscilación es diferente. En esto, primero, tenemos que establecer la constante del controlador p, Kp en un valor particular, mientras que los valores de Ki y Kd son cero. La ganancia proporcional aumenta hasta que el sistema oscila a una amplitud constante.

La ganancia en la que el sistema produce oscilaciones constantes se llama ganancia última (Ku) y el período de oscilaciones se llama período último (Pc). Una vez que se alcanza, podemos ingresar los valores de P, I y D en el controlador PID por tabla Zeigler-Nichols que depende del controlador utilizado como P, PI o PID, como se muestra a continuación.

Mesa Zeigler-Nichols

Estructura del controlador PID

El controlador PID consta de tres términos, a saber, control proporcional, integral y derivado. La operación combinada de estos tres controladores proporciona una estrategia de control para el control del proceso. El controlador PID manipula las variables del proceso como presión, velocidad, temperatura, flujo, etc. Algunas de las aplicaciones utilizan controladores PID en redes en cascada donde se utilizan dos o más PID para lograr el control.

Estructura del controlador PID

La figura anterior muestra la estructura del controlador PID. Consiste en un bloque PID que da su salida al bloque de proceso. El proceso / planta consta de dispositivos de control final como actuadores, válvulas de control y otros dispositivos de control para controlar varios procesos de la industria / planta.

Una señal de retroalimentación de la planta de proceso se compara con un punto de ajuste o señal de referencia u (t) y la señal de error correspondiente e (t) se alimenta al algoritmo PID. Según los cálculos de control proporcional, integral y derivado en el algoritmo, el controlador produce una respuesta combinada o salida controlada que se aplica a los dispositivos de control de la planta.

Todas las aplicaciones de control no necesitan los tres elementos de control. Las combinaciones como los controles PI y PD se utilizan con mucha frecuencia en aplicaciones prácticas.

Aplicaciones

Las aplicaciones del controlador PID incluyen lo siguiente.

La mejor aplicación del controlador PID es el control de temperatura, donde el controlador utiliza una entrada de un sensor de temperatura y su salida puede asociarse a un elemento de control como un ventilador o un calentador. Generalmente, este controlador es simplemente un elemento en un sistema de control de temperatura. Se debe examinar y considerar todo el sistema al elegir el controlador adecuado.

Control de temperatura del horno

Generalmente, los hornos se utilizan para incluir calefacción y también para contener una gran cantidad de materia prima a temperaturas elevadas. Es habitual que el material ocupado incluya una gran masa. En consecuencia, se necesita una gran cantidad de inercia y la temperatura del material no se modifica rápidamente, incluso cuando se aplica mucho calor. Esta característica da como resultado una señal PV moderadamente estable y permite que el período derivado corrija de manera eficiente la falla sin cambios extremos en el FCE o el CO.

Controlador de carga MPPT

La característica V-I de una celda fotovoltaica depende principalmente del rango de temperatura y de la irradiancia. Según las condiciones meteorológicas, la corriente y el voltaje de funcionamiento cambiarán constantemente. Por lo tanto, es extremadamente importante rastrear el PowerPoint más alto de un sistema fotovoltaico eficiente. El controlador PID se utiliza para encontrar MPPT al proporcionar puntos de voltaje y corriente fijos al controlador PID. Una vez que se cambian las condiciones climáticas, el rastreador mantiene la corriente y el voltaje estables.

El convertidor de electrónica de potencia

Sabemos que el convertidor es una aplicación de la electrónica de potencia, por lo que un controlador PID se utiliza principalmente en convertidores. Siempre que un convertidor se alía a través de un sistema basado en el cambio dentro de la carga, se cambiará la salida del convertidor. Por ejemplo, un inversor se alía con la carga, la enorme corriente se suministra una vez que se aumentan las cargas. Por lo tanto, el parámetro de voltaje y la corriente no es estable, pero se alterará según el requisito.

En este estado, este controlador generará señales PWM para activar los IGBT del inversor. Con base en el cambio dentro de la carga, la señal de respuesta se envía al controlador PID para que produzca n error. Estas señales se generan en base a la señal de falla. En este estado, podemos obtener entradas y salidas variables a través de un inversor similar.

Aplicación del controlador PID: Control de bucle cerrado para un motor de CC sin escobillas

Interfaz del controlador PID

El diseño y la interfaz del controlador PID se pueden realizar utilizando el microcontrolador Arduino. En el laboratorio, el controlador PID basado en Arduino se diseña usando la placa Arduino UNO, componentes electrónicos, enfriador termoeléctrico, mientras que los lenguajes de programación de software usados ​​en este sistema son C o C ++. Este sistema se utiliza para controlar la temperatura dentro del laboratorio.

Los parámetros de PID para un controlador específico se encuentran físicamente. La función de varios parámetros PID se puede implementar mediante el posterior contraste entre diferentes formas de controladores.
Este sistema de interfaz puede calcular eficientemente la temperatura a través de un error de ± 0,6 ℃, mientras que una temperatura constante se regula simplemente mediante una pequeña diferencia del valor preferido. Los conceptos utilizados en este sistema proporcionarán técnicas económicas y exactas para gestionar los parámetros físicos en un rango preferido dentro del laboratorio.

Por lo tanto, este artículo analiza una descripción general del controlador PID que incluye historial, diagrama de bloques, estructura, tipos, trabajo, métodos de ajuste, interfaz, ventajas y aplicaciones. Esperamos haber podido proporcionar un conocimiento básico pero preciso sobre los controladores PID. Aquí hay una pregunta simple para todos ustedes. Entre los diferentes métodos de ajuste, ¿qué método se utiliza preferiblemente para lograr un funcionamiento óptimo del controlador PID y por qué?

Se le solicita que tenga la amabilidad de dar sus respuestas en la sección de comentarios a continuación.

Créditos fotográficos

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