METODOS DE SINTONIZACIÓN DE CONTROLADORES

Existen una serie de métodos experimentales de ajuste de controladores PID. Estos métodos no requieren obtener un modelo del proceso, ni realizar cálculos matemáticos. Se basan en realizar un experimento sobre el proceso y aplicar unas sencillas reglas

Método basado en la curva de reacción o Prueba del Proceso Escalón

1.-Con el controlador en posición manual (es decir, el circuito abierto), se aplica al proceso un cambio escalón en la señal de salida del controlador. La magnitud del cambio debe ser lo suficientemente grande como para que se pueda medir el cambio consecuente en la señal de salida del transmisor, pero no tanto como para que las no linealidades del proceso ocasionen la distorsión de la respuesta.

2.- La respuesta de la señal de salida del transmisor se registra con graficador de papel continuo, o sistema de adquisición de señal digital. La graficación debe cubrir el período completo de la prueba, desde la introducción de la prueba escalón hasta que el sistema alcance un nuevo estado estacionario. La prueba puede durar entre unos cuantos minutos y varias horas, dependiendo de las características de respuesta del proceso.

Si se obtiene una curva S como la que se observa en la figura anterior, se puede caracterizar al procesos como un sistema de primer orden más tiempo muerto:

Donde K representa la ganancia estática del sistema, la variación de la salida del proceso VP obtenida en el transmisor entre la variación de la entrada causante de la variación.

Para hallar el valor de la constante de tiempo tao y el valor de retardo to se emplea un método gráfico:

Donde:

Para hallar los parámetros del controlador, se puede utilizar la tabla de los autores Ziegler-Nichols:

Se recomienda usar estas reglas de sintonización preferentemente cuando se cumpla la siguiente condición:

0.1  menor que  ( to / tao )  menor que 1

Sin duda, que las reglas de sintonización de Ziegler- Nichols son las más conocidas, ellas estan basadas en lograr una relación de 0.25 (1/4) entre el valor del segundo y el primer pico positivo de la respuesta temporal del sistema ante una entrada escalón. Sin embargo, estas reglas están basadas en numeroso ensayos (pruebas heurísticas) sobre sistemas pilotos. A mediados de loa años 80, surgen nuevas reglas de ajuste basados en la minimización de alguna medida del error:

Los parámetros de ajuste siguiendo estos criterios se muestran a continuación:

Otras Reglas de Ajuste propuestas por los Autores Cohen - Coon son las mostradas en las siguientes tablas:

Donde el parámetro teta se corresponde con to.

Método de Ganancia Ultima o de Oscilación

PARÁMETROS DEL CONTROLADOR

Para elegir el tipo de controlador (P, PD, PI ó PID) hay que tener en cuenta lo siguiente:


El término integral (PI ó PID) es necesario si se quiere garantizar que el error en régimen permanente (cuando pase mucho tiempo) sea nulo, es decir, si se quiere que la salida del proceso alcance exactamente el valor de la referencia.

La respuesta más rápida se consigue con el controlador PD (sin término integral), después con el PID, después con el P, y la más lenta con el controlador PI.

El término derivativo requiere que la señal del sensor no sea demasiado ruidosa. Si la señal del sensor es muy ruidosa el término derivativo puede dar problemas, por lo que puede ser conveniente un controlador P ó PI.

Lo más habitual es elegir el controlador PID completo, pues suele ser un buen compromiso entre rapidez de respuesta y error.

El controlador PID es una combinación de las tres acciones básicas de control:

Acción proporcional.

En general si se aumenta el valor de Kp: mejora la rapidez, disminuye el error, y aumenta la sobreoscilación.

Acción integral:

- Permite anular el error en régimen permanente

- Implica un retraso: tiende a inestabilizar

- A menor Ti más rápido se anula el error, pero el sistema tiende a ser más inestable

Acción derivada:

- Efecto anticipativo estabilizador (es una predicción del valor futuro del error)

- Tiende a reducir la sobreoscilación

PID COMO ESTRATEGIA DE CONTROL

El controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) es un controlador realimentado cuyo propósito es hacer que el error en estado estacionario, entre la señal de referencia y la señal de salida de la planta, sea cero de manera asintótica en el tiempo, lo que se logra mediante el uso de la acción integral. Además el controlador tiene la capacidad de anticipar el futuro a través de la acción derivativa que tiene un efecto predictivo sobre la salida del proceso.

Los controladores PID son suficientes para resolver el problema de control de muchas aplicaciones en la industria, particularmente cuando la dinámica del proceso lo permite (en general procesos que pueden ser descritos por dinámicas de primer y segundo orden), y los requerimientos de desempeño son modestos (generalmente limitados a especificaciones del comportamiento del error en estado estacionario y una rápida respuesta a cambios en la señal de referencia).

Su uso extensivo en la industria es tal que el 95% de los lazos de control que existen en las aplicaciones industriales son del tipo PID, de los cuales la mayoría son controladores PI, lo que muestra la preferencia del usuario en el uso de leyes de control muy simples.

El microprocesador ha tenido una influencia dramática sobre el desarrollo del controlador PID; ha permitido brindar nuevas oportunidades para implementar funciones adicionales como el ajuste automático de parámetros y los cambios de modos de control.

Los algoritmos actuales se combinan con funciones lógicas y secuenciales y una serie de mecanismos y funciones adicionales para adecuarse a los requerimientos de los modernos sistemas de control y automatización industrial, lo que da lugar a dispositivos especializados para el control de temperatura, velocidad, distribución de energía, transporte, máquinas-herramientas, reacción química, fermentación, entre otros.

El desarrollo de los sistemas de control PID está también influenciado por el desarrollo en el campo de la comunicación de datos de campos, lo que ha permitido su inserción como módulos importantes en los esquemas de control distribuido. En este sentido, la capacidad de comunicación de estos dispositivos con otros dispositivos de campo como PLCs y otros sistemas de control de niveles superiores, es una función necesaria en los modernos controladores PID.

ACCIÓN DE LOS CONTROLADORES

Un controlador es un dispositivo que se usa para modificar la conducta dinámica de un proceso. Existen 2 decisiones clave en el diseño de sistemas de control:

1. Selección del tipo de controlador (P, PI, PID, PD).

2. Selección de los parámetros del controlador.

Antes de empezar a explicar métodos para elegir los parámetros del controlador seleccionado es importante hablar sobre el modo de acción directo/inverso de los controladores.

Para determinar cuál de estas salidas es la correcta, un análisis debe ser llevado a cabo en el lazo. El primer paso es determinar la acción de la válvula y posteriormente las características del proceso.
Dependiendo de la acción de la válvula, un incremento en la medida puede requerir incrementos o disminuciones del valor de salida para el control. Todos los controladores pueden ser conmutados entre acción directa o reversa.
La acción directa significa que cuando el controlador ve un incremento de señal desde el transmisor, su salida se incrementa.

La acción reversa significa que un incremento en las señales de medición hace que la señal de salida disminuya.

Ejemplo de un proceso con un controlador de acción inversa:

Intercambiador de calor

En la figura anterior puede observarse, por razones de seguridad la válvula debe cerrar si existe un fallo en el suministro de aire de la planta. Por lo tanto, esta válvula deber ser normal abierta con aire, o normal cerrada sin aire. Segundo, considere el efecto de un cambio en la medición. Para incrementar la temperatura el caudal de vapor hacia el intercambiador de calor debería ser reducido, por lo tanto, la válvula deberá cerrarse. Para cerrarse ésta válvula, la señal del controlador automático hacia la válvula debe disminuir, por lo tanto el controlador requiere acción de disminución/incremento reversa. Si se eligiera la acción directa el incremento de señales desde el transmisor daría como resultado en un aumento del caudal de vapor, haciendo que la temperatura se incremente aún mas. El resultado sería un descontrol en la temperatura. Lo mismo ocurriría en cualquier disminución de temperatura causando una caída de la misma. Una selección incorrecta de la acción del controlador siempre resulta en un lazo de control inestable tan pronto como el mismo es puesto en modo automático.

Ejemplo de un Proceso de Acción Directa:

Control de Nivel

En este proceso de control de nivel, ante un aumento de señal de entrada (medición de nivel) en el controlador la válvula deberá abrirse por lo tanto la señal de salida del controlador deberá aumentar también, por lo tanto se deberá escojer la acción directa.

ELEMENTOS DE UN SISTEMA DE CONTROL

Elemento primario de medida (Transductor)


Son los dispositivos encargados de realizar la medición de las variables en un proceso. Transductor es todo dispositivo o elemento que convierte una señal de entrada en una de salida pero de diferente naturaleza física.

Normalmente se desea transformar señales de las variables físicas o químicas que deseamos medir, en magnitudes eléctricas que son las que manejamos con más facilidad en instrumentación. La salida del transductor es una función conocida de la magnitud de entrada y la relación entre ambas (magnitud a medir y salida del transductor) puede no ser lineal, aunque se procura que lo sea para simplificar su tratamiento. La señal eléctrica tal como la proporciona un transductor no es, en general, directamente utilizable por un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador. Por eso suele someterse a estas señales a una serie de procesos típicos. Estos pueden ser entre otros: aislamiento, acoplo de impedancias, cambios de nivel o tipo de la señal, amplificación, filtrado, linealización.

Uno de los procesos deseados suele ser la amplificación o conversión de la señal al rango de tensión usual en los sistemas de adquisición de datos (0 a 10V); esto puede requerir una atenuación para señales más elevadas, o una amplificación apropiada para las de niveles bajos. Otro es su transformación al rango habitual de corriente en proceso de datos de campo (4 a 20 mA), para poder transmitirlos por cable trenzado a distancia. La transmisión en corriente proporciona una notoria inmunidad al ruido ya que la información no es afectada por caídas de tensión en la línea, impulsos parásitos, resistencias o voltajes inducidos por contaminación electromagnética, etc.

En general, la respuesta de un sensor determina cuan bien se va efectuar la medición, el registro o control de una variable; y su selección es el resultado de conocer bien las características de un proceso. Algunas de las características más importantes de un sensor o transductor que definen la calidad de los mismos son la exactitud, linealidad, resolución, etc. Otro aspecto importante es el denominado tiempo de respuesta o tiempo necesario para que el dispositivo entregue la información final. En la medida que este retardo se pueda minimizar, se tendrá un mejor control del proceso

Transmisores:

Son dispositivos que se conectan al elemento primario y en algunos casos se encuentran integrados al transductor, el mismo produce las señal para la transmisión. Se clasifica en neumáticos y electrónicos. Ellos presentan una constante de tiempo y un tiempo muerto que dependen del tipo de transmisor y de la variable que se este midiendo. En el caso de los transmisores neumáticos la señal transmitida es de 3 a 15 psi, y en el caso de los electrónicos dicha señal es de 4 a 20 mA.

Los transmisores electrónicos se pueden catalogar en analógicos y digitales. Los primeros basados en el uso de amplificadores operacionales (OPAMP) y los segundos en microprocesadores. Los transmisores analógicos están hoy prácticamente en desuso y debido a su constitución mecánica, presentan un ajuste del cero y del alcance (span) complicado y una alta sensibilidad a vibraciones.

La tecnología actual, ha hecho que los transmisores electrónicos, no sólo incorporen al sensor formando un solo bloque, sino que además, tengan posibilidades de control (PID) sobre el elemento final de control. A estos transmisores se les denomina inteligentes. Los transmisores digitales tienen una serie de ventajas sobre los analógicos como veremos más adelante Por otro lado, el empleo cada vez mayor de señales digitales en estos transmisores determinará en algún momento la estandarización de un protocolo digital como lo ha sido hasta ahora la señal analógica de 4-20 mA.


Elemento Final de Control:

Recibe la señal de controlador y modifica el agente de control, también se le conocen como actuadores.

Los actuadores hidráulicos, neumáticos eléctricos son usados para manejar aparatos mecatrónicos. Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

Los actuadores eléctricos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento.
Los actuadores más comunes son los motores, válvulas y bombas. Existen otro tipo como son los piezoelécticos.

Controlador:

Es el encargado de comparar la variable controlada con un valor deseado y ejercer una acción correctiva de acuerdo con la desviación. Al llevar a cabo la función de control, el controlador automático usa la diferencia entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia la válvula.

La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación básica en la habilidad del controlador para controlar correctamente la medición. Si el transmisor no envía una señal precisa, o si existe un retraso en la medición de la señal, la habilidad del controlador para manipular el proceso será degradada. Al mismo tiempo, el controlador debe recibir una señal de valor de consigna precisa (set-point ).

En controladores que usan señales de valor de consigna neumática o electrónica generadas dentro del controlador, una falla de calibración del transmisor de valor de consigna resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición a un valor erróneo. La habilidad del controlador para posicionar correctamente la válvula es también otra limitación. Si existe fricción en la válvula, el controlador puede no estar en condiciones de mover la misma a una posición de vástago específica para producir un caudal determinado y esto aparecerá como una diferencia entre la medición y el valor de consigna. Intentos repetidos para posicionar la válvula exactamente pueden llevar a una oscilación en la válvula y en la medición, o, si el controlador puede sólo mover la válvula muy lentamente, la habilidad del controlador para controlar el proceso será degradada.

Una manera de mejorar la respuesta de las válvulas de control es el uso de posicionadores de válvulas, que actúan como un controlador realimentación para posicionar la válvula en la posición exacta correspondiente a la señal de salida del controlador. Los posicionadores, sin embargo, deberían ser evitados a favor de los elevadores de volumen en lazos de respuesta rápida como es el caso de caudal de líquidos a presión.

Otros elementos


Dentro de este grupo podemos citar algunos dispositivos e instrumentos que realizan otro tipo de funciones como indicadores, registradores, conversores, alarmas e interruptores y elementos de funciones especiales.

A menudo se requiere convertir señales de un nivel a otro, por ejemplo, sistemas electrónicos que reciben señales de 4 a 20 mA, para conectarse a transmisores que envían señales de 0 a 20 mA; en este caso se utilizaría un conversor de corriente a corriente aunque ya hoy en día, esto constituye una opción de software y no de hardware, como también ha sucedido con los extractores de raíz cuadrada y otros dispositivos de cálculo debido al desarrollo de la tecnología digital.

Las funciones de alarma e interrupción, se utilizan ante condiciones anormales de un proceso. Los dispositivos empleados para estas funciones, pueden simplemente indicar o también realizar alguna acción de control. Adicionalmente, se pueden citar otros elementos que se usan en diversas aplicaciones, como por ejemplo, temporizadores, válvulas-solenoide, programadores, etc. cuyo uso va a depender del tipo de control y del proceso mismo.

CONTROL DE PROCESOS

El principio del control automático o sea el empleo de una realimentación o medición para accionar un mecanismo de control, es muy simple. El mismo principio del control automático se usa en diversos campos, como control de procesos químicos y del petróleo, control de hornos en la fabricación del acero, control de máquinas herramientas, y en el control y trayectoria de un proyectil.

El control automático es el mantenimiento de un valor deseado dentro de una cantidad o condición, midiendo el valor existente, comparándolo con el valor deseado, y utilizando la diferencia para proceder a reducirla. En consecuencia, el control automático exige un lazo cerrado de acción y reacción que funcione sin  intervención humana .

En todo proceso se presenta una causa y un efecto (causalidad), las causas representan las variables de entrada y los efectos son aquellos que genera el proceso como respuesta a las variables de entrada.

En los procesos industriales existen ciertas convenciones y arreglos en los sistemas de control así como la distribución de los dispositivos de medidas y funciones de control en varias piezas de software.

Variables Utilizadas En El Proceso De Control.


El lazo de control de un proceso es diseñado para tener todas las variables bajo control.

El termino utilizado para llamar a la variable que a sido manipulada, es el de “VARIABLE MANIPULADA”. A la o las variables que han sido medidas con anterioridad se les denomina “VARIABLE MEDIDA”. De la misma manera, el término utilizado para expresar el valor de ajuste, es “SET POINT”, y la diferencia entre el valor actual de la variable y el set point, se denomina “DESVIACIÓN”.

La acción es realizada para eliminar la desviación. En el proceso de control, la acción es el ajuste de la variable, a este ajuste se le denomina “VARIABLE MANIPULADA”.

En términos prácticos, el control es un ciclo continuo de medición, toma de decisión, y realizar una acción. El proceso de control es un lazo diseñado para mantener la variable controlada en el SET POINT.

UN POCO DE HISTORIA

El control de los primeros procesos industriales se basó en la habilidad de los operadores (control manual). En los años siguientes, la aparición de los controladores locales permitió al operador manejar varios lazos de control, pero subsistía aún el problema de recolección de datos. Los controladores locales son aún muy útiles, así como también resistentes y simples. Sin embargo, debido a que están directamente relacionados con el proceso y por lo tanto están diseminados a través de toda la planta, obviamente hace que el realizar mantenimiento y ajustes en dichos instrumentos demande mucho tiempo.

El desarrollo de los dispositivos de control operados neumáticamente marcó un mayor avance en el control de procesos. Aquí las variables pueden ser convertidas en señales neumáticas y transmitidas a controladores remotos. Utilizando algunos mecanismos complejos, un controlador neumático realizaba simples cálculos basados en una señal de referencia (set point) y la variable del proceso y ajustar adecuadamente el elemento final de control. La ventaja estaba en que el operador podía controlar una serie de procesos desde una sala de control y realizar los cambios necesarios en forma sencilla. Sin embargo, las limitaciones radicaban en la lentitud de la respuesta del sistema de control de cambios rápidos y frecuentes y a su inadecuada aplicación en situaciones en que los instrumentos estén demasiado alejados (pérdidas).

Alrededor de los 60, los dispositivos electrónicos aparecieron como alternativa de reemplazo a los controladores neumáticos. Los controladores electrónicos para un lazo cerrado, son rápidos, precisos y fáciles de integrar en pequeños lazos interactivos; sin embargo, la mejora en cuanto a operación con respecto a los neumáticos era relativamente pequeña y además la recopilación de datos, aún no muy fácil de manejar.

Algún tiempo después de la aparición de los sistemas de control electrónicos analógicos, el desarrollo de los microprocesadores permitió el surgimiento de los transmisores y controladores digitales, así como de los controladores lógicos programables (PLC), además, de sistemas especializados como por ejemplo, las máquinas de control numérico computarizado (CNC)

El empleo de las computadoras digitales no se hizo esperar; de su aplicación, aparecen los sistemas de control digital directo (DDC), hasta los sistemas de supervisión y control actuales, con los cuales se logra manejar un gran número de procesos y variables, recopilar datos en gran cantidad, analizar y optimizar diversas unidades y plantas e incluso, realizar otras actividades, como planificación de mantenimiento, control de calidad, inventario, etc

Independientemente de la tecnología, la evolución de las técnicas de control han tenido como uno de sus objetivos fundamentales, reemplazar la acción directa del hombre en el manejo de un determinado proceso, por el empleo de equipos y sistemas automáticos, sin embargo, existe una analogía muy clara entre estos últimos y el hombre, en los que respecta a la forma de actuar

El tipo de proceso elegido para un determinado producto final dependerá de sus requerimientos de producción y cantidades. En cualquier caso, para el control del mismo es necesario tener un conocimiento acerca de la instrumentación utilizada y en general de los aspectos mecánicos relacionados al proceso. El control óptimo sin embargo, no solamente está en función de los dispositivos, equipos y sistemas a emplear, sino fundamentalmente del conocimiento del proceso que se desee controlar.

El control automático de procesos es parte del progreso industrial desarrollado durante lo que ahora se conoce como la segunda revolución industrial. El uso intensivo de la ciencia de control automático es producto de una evolución que es consecuencia del uso difundido de las técnicas de medición y control. Su estudio intensivo ha contribuido al reconocimiento universal de sus ventajas.


El control automático de procesos se usa fundamentalmente porque reduce el costo de los procesos industriales, lo que compensa la inversión en equipo de control. Además hay muchas ganancias intangibles, como por ejemplo la eliminación de mano de obra pasiva, la cual provoca una demanda equivalente de trabajo especializado. La eliminación de errores es otra contribución positiva del uso del control automático.

INTRODUCCIÓN

En principio, todos los procesos industriales fueron controlados manualmente por el operador (hoy aún existe este tipo de control en muchas fábricas); la labor de este operador consistía en observar lo que está sucediendo (tal es el caso de un descenso en la temperatura) y hacía algunos ajustes (como abrir la válvula de vapor), basado en instrucciones de manejo y en la propia habilidad y conocimiento del proceso por parte del operador. Este lazo - proceso a sensor, a operador, a válvula, a proceso - se mantiene como un concepto básico en el control de procesos.

En el control manual, sin embargo, sólo las reacciones de un operador experimentado marcan las diferencias entre un control relativamente bueno y otro errático; más aún, esta persona estará siempre limitada por el número de variables que pueda manejar.

Por otro lado, la recolección de datos requiere de esfuerzos mayores para un operador, que ya está dedicando tiempo importante en la atención de los procesos observados y que por lo tanto se encuentra muy ocupado como para escribir números y datos, que evidentemente son necesarios para un mejor control sobre el proceso. Todo esto se puede conjugar en tener datos que pueden ser imprecisos, incompletos y difíciles de manejar.

El control automático a diferencia del manual, se basa en dispositivos y equipos que conforman un conjunto capaz de tomar decisiones sobre los cambios o ajustes necesarios en un proceso para conseguir los mismos objetivos que en el control manual pero con muchas ventajas adicionales. Adicionalmente a esto, existen una serie de elementos que pueden integrarse a este conjunto para lograr cumplir con varias funciones, algo que como se ha comentado, sería imposible de ser logrado por un operador con la precisión y eficiencia deseados.