conocimientos básicos-PID CONTROLLER
¿para qué se utiliza un controlador PID y cómo funciona? Durante décadas, el PID se ha establecido como la forma más popular de control de procesos, pero ¿por qué es esto? La respuesta, como se explica en este artículo, es que supera las deficiencias de otros tipos de control. La explicación incluye una discusión de cómo los controladores PID se relacionan con otros métodos de control, Qué significan los Términos PID y cómo operan los controladores.,
una jerarquía del sistema de control
los sistemas de Control son omnipresentes en aplicaciones industriales, médicas, militares, automotrices, de servicios públicos y muchas otras, y a veces aparecen en nuestra vida diaria., Sin embargo, vienen en muchos tipos, de los cuales el control PID es solo uno, aunque el más sofisticado. En consecuencia, comenzamos explicando la jerarquía del sistema de control que existe hoy en día, y mostrando cómo el control PID encaja en esto. Luego, nos centramos en los controladores PID y cómo funcionan.
control de bucle abierto – el tipo más básico. Un ejemplo es una manguera de jardín, conectada a un grifo. Aunque el grifo puede ser operado por un usuario para regular el flujo de agua, la manguera no tiene un mecanismo de retroalimentación para ‘cerrar el bucle’ para la regulación automática.,
On / off o control ‘Bang-Bang’: esta es la forma más simple de control de bucle cerrado, y se ejemplifica con un sistema de calefacción doméstica con un termostato de habitación. El termostato compara el valor de medición de la temperatura ambiente (MV) con su punto de ajuste (SP) ajustado por su usuario. El sistema utiliza la retroalimentación MV para cerrar el bucle. Si la temperatura es demasiado baja, se enciende la calefacción central para calentar la habitación hasta que alcance la temperatura SP. Si la temperatura supera el SP, se apagará la calefacción y, posiblemente, se iniciará el aire acondicionado para la refrigeración activa.,
Los termostatos prácticos tienen una histéresis, o banda muerta. Esto podría ser típicamente 4 ° C, Por lo que para un punto de ajuste de 20°C, el termostato se enciende a 18°C y por debajo, y se apaga a 22°C y por encima. Esto expone las limitaciones del control de encendido / apagado; sin histéresis, el termostato cambiaría continuamente, lo que puede causar un desgaste excesivo y posiblemente un ruido audible intrusivo. Por el contrario, si la brecha de histéresis es demasiado amplia, la temperatura ambiente será subóptima durante gran parte del tiempo.,
Además, en algunos sistemas industriales, un encendido repentino y a plena carga podría provocar problemas con las corrientes de entrada.
El control proporcional es un método de control continuo que ofrece un rendimiento más matizado, robusto y de mejor calidad que el enfoque de encendido / apagado relativamente crudo. Sin embargo, diseñar y optimizar un bucle de control para una aplicación en particular no está exento de algunos desafíos., Por lo general, es deseable, si no esencial, lograr el tiempo de respuesta más rápido posible y la mayor precisión en estado estacionario, sin crear un riesgo de inestabilidad. Una vez configurado, el bucle debe mantener su rendimiento óptimo incluso en condiciones de proceso impredecibles y cambiantes.
a continuación, analizamos cómo funcionan los sistemas de control proporcionales y cómo se puede evaluar su rendimiento. Luego presentamos los conceptos de las funciones Integral (I) y derivada (D), y explicamos su papel esencial en la optimización del rendimiento del control de bucle cerrado para los controladores PID., Vemos cómo las funciones se pueden ajustar para equilibrar mejor el tiempo de respuesta y la precisión contra la estabilidad en todas las condiciones.
hoy en día, la mayoría de los controladores proporcionales y PID se implementan utilizando microprocesadores o microcontroladores integrados, o como software que se ejecuta en un PLC o un sistema de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) más grande. Sin embargo, hay excepciones. Los controladores analógicos PID todavía se utilizan para aplicaciones de alto ancho de banda y bajo nivel de ruido, y los sistemas neumáticos todavía están disponibles .,
tenga en cuenta que, independientemente de la tecnología del controlador PID, las variables de entrada y salida son generalmente analógicas.
en esta configuración, la variable de proceso es el parámetro del sistema que debe controlarse, como la temperatura, la presión o el caudal. El sensor mide esta variable y devuelve una señal correspondiente, que generalmente es eléctrica en un sistema de control de proceso moderno; típicamente, 4-20ma. Esto se compara con el valor de consigna, que podría ser ajustado por un usuario como en el ejemplo del termostato., Sin embargo, en un sistema industrial, puede ser establecido por otro proceso, o por un programa de control de controlador lógico programable (PLC).
El resultado de esta comparación es la señal de Error, que es utilizado por el controlador para calcular su salida para el proceso. La ganancia proporcional (KP) del controlador determina la relación de respuesta de salida a la señal de error.
en cualquier caso, la salida del controlador se utiliza para accionar un actuador, que podría ser un calentador en un proceso industrial, por ejemplo., En consecuencia, a medida que el proceso se calienta hacia el punto de ajuste, la señal de error se reduce a medida que su temperatura se acerca a su nivel deseado. Sin embargo, el control proporcional por sí solo no puede proporcionar un control perfectamente preciso; no puede, por sí mismo, eliminar completamente la señal de error, ya que la salida se vuelve insignificante a medida que la señal de error se acerca a cero. Además, la salida del actuador a menudo no es la única influencia en el sistema.
por ejemplo, en una cámara de temperatura puede haber una fuente de aire frío que a veces sopla en la cámara y cambia la temperatura., Esto se denomina perturbación. Además, la respuesta del sistema a una salida de control puede cambiar con el tiempo o en respuesta a alguna variable. Por ejemplo, una cámara parcialmente llena de fluido exhibirá una respuesta mucho más rápida a la salida del calentador cuando esté casi vacía que cuando esté casi llena de fluido. Esto crea un sistema no lineal en el que los parámetros de control que producen una respuesta deseada en un punto de operación podrían no producir una respuesta satisfactoria en otro punto de operación.,
El Tiempo Muerto, causado por factores como los retrasos que surgen del fluido que fluye a través de las tuberías, puede ser otro problema. En consecuencia, los sistemas de control deben diseñarse para minimizar los efectos de las perturbaciones en la variable del proceso, los procesos no lineales y el tiempo muerto.
el proceso de diseño de control
el proceso de diseño de control comienza definiendo los requisitos de rendimiento. El rendimiento del sistema de Control a menudo se mide aplicando una función de paso a la entrada de punto de ajuste y luego midiendo la respuesta de la variable de proceso., Esto se cuantifica comúnmente midiendo características de forma de onda definidas.
El Tiempo de subida es la cantidad de tiempo que el sistema tarda en pasar del 10% al 90% del valor de estado estacionario o final. Porcentaje de sobrepaso es la cantidad que la variable de proceso sobrepasa el valor final, expresado como un porcentaje del valor final. El tiempo de asentamiento es el tiempo requerido para que la variable de proceso se asiente dentro de un cierto porcentaje (comúnmente 5 %) del valor final. El error de estado estacionario es la diferencia final entre la variable de proceso y el punto de ajuste., Tenga en cuenta que la definición exacta de estas cantidades variará en la industria y el mundo académico.
¿qué es un controlador PID?
ahora veremos los efectos de variar el componente proporcional de la salida del controlador, y de introducir términos integrales (I) y derivados (V).
si solo tenemos un controlador proporcional (P), podemos comenzar estableciendo la ganancia de Kp a un valor modesto, como 10 (K es adimensional). Después de aplicar la entrada escalonada, la salida será estable, pero se acercará lentamente al valor deseado., Si KP se incrementa a, digamos, 100, tanto el error de estado estacionario como el tiempo de subida se reducirán, hasta ahora, todo bien. Sin embargo, si aumentamos Kp a 200, aunque el tiempo de subida y el error de estado estacionario se reducen aún más, el exceso comienza a aparecer.
de aquí en adelante, el aumento adicional del Kp simplemente aumenta el exceso, sin reducciones adicionales en el tiempo de subida o el error de estado estacionario. Y overshoot eventualmente puede convertirse en oscilación underdamped, lo que significa que el sistema será inestable.,
la solución de la industria para esto ha sido agregar componentes integrales (I) y derivados (V) a la salida proporcional (P) del controlador, para construir un controlador PID.
El componente Integral sumas el término de error a lo largo del tiempo. El resultado es que incluso un pequeño término de error hará que el componente integral aumente lentamente. La respuesta integral aumentará continuamente con el tiempo a menos que el error sea cero, por lo que el efecto es conducir el error de estado estacionario a cero., Un fenómeno llamado windup integral resulta cuando la acción integral satura un controlador sin que el controlador conduzca la señal de error hacia cero.
aunque la acción integral puede eliminar el error de estado estacionario, puede contribuir fuertemente al exceso de salida del controlador y a la posible inestabilidad. Sin embargo, el control PI puede ser adecuado para algunos procesos, donde la velocidad del sistema no es importante. Sin embargo, cuando la inestabilidad es una preocupación potencial, la solución es implementar un controlador PID agregando un componente derivado.,
los componentes derivados actúan sobre la tasa de cambio de la señal de error. Cuantos más cambios de error o cuanto más largo sea el tiempo de la derivada, mayor será el factor derivado. El efecto de esto es contrarrestar el exceso causado por P e I. Cuando el error es grande, el P y el I empujarán La salida del controlador. Esta respuesta del controlador hace que el error cambie rápidamente, lo que a su vez hace que la derivada contrarreste la P y la I de manera más agresiva. Un derivado usado correctamente permite factores proporcionales e integrales más agresivos., Mayor tiempo derivado hace que la derivada más agresivamente amortiguar P e I.
Ver también este video para obtener controlador PID explicado!
Tuning un controlador PID
El establecimiento de la combinación óptima de parámetros P,I y D para un bucle de control específico se realiza mediante la sintonización, y tres enfoques para la sintonización son posibles: manual, heurístico (‘regla de oro’) y automatizado.
el ajuste manual de PID se realiza estableciendo el tiempo de reset (integral) a su valor máximo y la tasa (derivada) a cero, y aumentando la ganancia hasta que el bucle oscile a una amplitud constante., (Cuando la respuesta a una corrección de error ocurre rápidamente, se puede usar una ganancia mayor. Si la respuesta es lenta, una ganancia relativamente pequeña es deseable). Luego establezca la ganancia del controlador PID a la mitad de ese valor y ajuste el tiempo de reinicio para que corrija cualquier desplazamiento dentro de un período aceptable. Finalmente, aumente la tasa del bucle PID hasta que se minimice el exceso
Los dos métodos heurísticos de Zeigler y Nichols para ajustar un controlador PID se publicaron por primera vez en 1942., Estos funcionan aplicando un cambio de paso al sistema y observando la respuesta resultante. El primer método consiste en medir el retraso o retraso en la respuesta y luego el tiempo necesario para alcanzar el nuevo valor de salida. El segundo depende de establecer el período de una oscilación de estado estacionario. En ambos métodos, estos valores se ingresan en una tabla para derivar los valores de ganancia, tiempo de restablecimiento y velocidad para el controlador PID.
La mayoría de los controladores PID vendidos hoy incorporan funciones de ajuste automático. Los detalles de operación varían entre los fabricantes, pero todos siguen reglas similares a las descritas anteriormente., Esencialmente, el controlador PID «aprende» cómo el proceso responde a una perturbación o cambio en el punto de ajuste, y calcula los ajustes PID apropiados.
la serie Platinum de controladores de temperatura de OMEGA son ejemplos de dispositivos con capacidad de ajuste automático.
¿Qué son los parámetros de ajuste PID? Encuentra las respuestas en este video!
diseño de sistemas de control basados en PID: desde su computadora
El conjunto de herramientas LabVIEW de NI cuenta con una amplia variedad de instrumentos virtuales (VIs) que ayudan en gran medida en el diseño de un sistema de control basado en PID ., PID VIs permite el desarrollo de Algoritmos proporcionales (P), proporcionales-integrales (PI), proporcionales-derivados (PD) y proporcionales-integrales-derivados (PID).
conclusión
en este artículo, hemos visto cómo los controladores PID se pueden usar para optimizar los bucles de control para el tiempo de respuesta, la precisión y la estabilidad en todas las condiciones del proceso, y cómo los Términos I y D proporcionan un nivel de control que no es posible solo con el término proporcional.