El control PID es una acción, de un sistema eléctrico, electrónico, etc, que permite asegurar que un sistema se comporte acorde a una referencia establecida.
Esta técnica es sencilla y ampliamente usada en la industria de la automatización. Existen diversas estructuras para implementarlo, así como diferentes metodologías que nos permiten determinar el valor de sus parámetros.
En esta ocasión te explicaré, inicialmente a que nos referimos cuando hablamos de un sistema de control. Asimismo, te hablaré sobre la diferencia que existe entre automatizar y controlar. Finalmente, te explicare en que consiste el control PID, sus efectos y algunas técnicas para determinar sus parámetros.
Antes de ver el control PID, ¿Qué es un sistema de control?
Desde el enfoque de un sistema, ya sea eléctrico, electrónico, mecánico o combinación de éstos, nos referimos a la acción que asegura que dicho sistema se comporte como lo deseamos. Es decir, que el resultado o salida que entrega sea acorde a un valor establecido, llamado referencia.
Para llevar a cabo una acción de control, se debe medir la variable de salida del sistema, por ejemplo temperatura, velocidad, humedad, ph, posición, voltaje, corriente, etc. Una vez que es medida la salida, se compara con la referencia. Es decir, se compara con el valor que se desea que tenga dicha variable de salida. Esa diferencia entre valores (error), es interpretada por la etapa de control, quien generará una señal o acción de control que afecta al sistema (también se le llama planta), que se está controlando. Esto es con el fin de lograr que la salida del sistema permanezca en el valor de referencia.
Resumiendo, un sistema que tiene control siempre medirá o determinará de alguna forma la magnitud de la variable que entrega este sistema. La salida será comparada con la referencia, para que el controlador modifique la planta y la salida tenga el valor de referencia, sin importar que suceda alrededor de la planta.
Ejemplo de un sistema de control
Un ejemplo sencillo es el control de crucero de los automóviles. Un sensor mide la velocidad del vehículo (variable de salida), posteriormente se compara y se determina la diferencia con la velocidad a la que desea ir el conductor (referencia). El controlador entonces, acorde a esta diferencia, incrementará o disminuirá la aceleración del motor (planta), para que el vehículo se mantenga en la velocidad a la que quiere ir el conductor.
Si el vehículo subiera una pendiente, el sistema de control acelerará el motor para lograr la velocidad de referencia. Por otro lado, si el vehículo estuviera descendiendo en una pendiente, el sistema de control debe disminuir la aceleración para no pasar el valor de referencia.
Diferencia entre sistema de control y sistema automático
Como ya se mencionó anteriormente, controlar involucra medir una variable de salida y determinar si está en el valor deseado. Un sistema automático no necesariamente involucra control. Es decir, hay sistemas o equipos automáticos que hacen el trabajo para el que fueron diseñados sin importar si alguna de sus variables alcanza o permanece en valores deseados, un ejemplo es la lavadora común.
Un sistema automático es aquel que funciona y desarrolla su trabajo de forma autónoma, sin o con mínima supervisión e intervención de un ser humano. Un ejemplo sencillo es el horno de microondas, nosotros introducimos el alimento que deseamos calentar, indicamos el tiempo que será calentado y el horno realizará su labor. Cabe resaltar que así será hasta cumplir el tiempo indicado, sin que el horno sepa si el alimento alcanzó o se pasó de la temperatura que deseamos.
Sin embargo, un sistema automático sí puede contar con control. Es decir, considerando el ejemplo del microondas, éste podría incluir un sistema que permita saber si el alimento que se introdujo alcanzó el valor que deseamos.
Acciones de control
Existen 4 acciones básicas de control. Son diversas formas en las que un controlador trabaja para mantener el valor de la variable de salida igual al valor de referencia.
Control on/off
Este tipo de control es el mas sencillo y económico. Debido a lo anterior es de los más utilizados. Consiste en prender y apagar la planta o sistema controlado. Lo anterior permite que el valor de la variable que nos interesa controlar no se aleje demasiado del valor deseado.
Un ejemplo sencillo de su aplicación es el sistema de llenado de agua de un tinaco. Este sistema cuenta con un flotador o sensor que se coloca a la altura del nivel de agua que se desea mantener. Al consumirse el agua, disminuye su nivel y en consecuencia se mueve el flotador de tal manera que permite el paso de agua para que se llene de nuevo el tinaco. Al llegar el nivel del agua a la altura del flotador, ahora lo activa de tal manera que se obstruya o impida el paso del agua hacia el tinaco. Lo anterior nos asegura, mientra se tenga suministro de agua, que el nivel de agua almacenado siempre estará al nivel deseado.
Cabe señalar que, aunque es sencillo y económico, este tipo de control generalmente es inexacto y presenta oscilaciones considerables del valor de la variable de salida alrededor de el de referencia. Por lo tanto, su aplicación debe de ser en sistemas donde el error o diferencia entre el valor de referencia y el valor de la variable de salida no afecte considerablemente. Es decir, tal vez en el ejemplo dado del tinaco, no afecte en nada que se llene con 5 litros mas o menos de lo que se desea. Sin embargo, ahora considerando un control de temperatura para un proceso químico, una pequeña diferencia de temperatura puede significar que no se realice la reacción esperada en el tiempo planeado o con las características deseadas.
Control Proporcional
Este tipo de control es simple y actúa en la planta de tal forma que sólo genera que la salida incremente o disminuya su valor de salida. Esto es, acorde a la diferencia entre la referencia y la salida (error), manda una señal producto de este valor a la planta. Esto con el fin de que la variable controlada cambie su valor. A mayor error o diferencia mayor efecto en la planta o si el error es menor, la planta tendrá menos cambios.
Como ejemplo consideremos el ejemplo que se mencionó anteriormente sobre el control de crucero en los vehículos. Si la diferencia entre la velocidad a la que se desplaza el vehículo y a la que se desea ir es significativa, deberá existir una mayor aceleración o desaceleración para lograr una velocidad igual ala referencia. Por otro lado, si dicha diferencia es menor, el cambio en aceleración será en la misma proporción.
Este tipo de control, de forma similar al on/off no es exacto, pero no prende y apaga la planta o no interrumpe su funcionamiento. Es decir, actúa sobre la planta de tal forma que cambie la magnitud de su salida en la misma proporción al error.
Control Integrador
El control integrador, como su nombre lo indica, realiza la operación de integrar el valor del error. En consecuencia, la planta ajustará su salida buscando disminuir la diferencia entre la referencia y el valor de la variable de salida. El efecto de este tipo de control es disminuir el error.
Asimismo, en combinación con el control de tipo Proporcional, ayudará a eliminar o reducir al máximo el error que presenta este tipo de control por sí solo. Cabe señalar, que el control Integral no se usa sólo, siempre estará operando con combinación con el proporcional. Por lo tanto, cuando por efecto del control proporcional se afecte la planta para ajustar la variable de salida, los ajustes serán menos bruscos.
Control Derivativo
Este tipo de control deriva el error. Es decir, determina que tan rápido cambia el valor resultante de la diferencia entre la referencia y la variable de salida. Lo anterior permite ajustar el valor de la salida con rapidez o al menos, con la misma velocidad que se dan los cambios en su magnitud. Este tipo de control no se usa sólo, siempre va acompañado, al menos, del control proporcional.
Debido a su sensibilidad a la velocidad de cambio de la variable de salida, podría generar inestabilidad de la planta si éstos son muy rápidos. Es decir, con cambios muy rápidos en el error, perdería el control del sistema, generando que cada vez se aleje mas el valor de la variable de salida, del valor deseado.
El Control PID
Este tipo de control es la unión de los controladores que se acaban de mencionar. Es decir, es resultado de la operación conjunta del control Proporcional, Integrador y Derivativo. En consecuencia, se tendrá un sistema controlado con las bondades y características de desempeño de cada uno de los controladores que lo componen.
El controlador PID, buscará ajustar el valor de la variable de salida de tal manera que sea igual al deseado o de referencia. Debido al control integral, actuará para que sea lo mas pequeño posible o de plano eliminar el error, así como las oscilaciones alrededor de este valor. Asimismo, gracias al control derivativo, actuará con rapidez, respondiendo y principalmente, tratando de anticiparse a los cambios en el valor de salida y que lo alejen del valor de referencia.
Este tipo de controlador es ampliamente utilizado en la industria de la automatización. De hecho, existen equipos para tal propósito como autómatas programables o PLCs, variadores de velocidad, conmutadores, etcétera, que incluyen esta etapa, con el fin de mejorar su desempeño.
Cabe señalar que el control PID, se ha convertido en una referencia en casos donde se quiere conocer el desempeño de un controlador de otro tipo de principio o estructura. Es decir, cuando se está investigando, desarrollando o implementando un controlador diferente al PID, generalmente primero se prueba el funcionamiento de la planta con éste. Posteriormente, se analiza el desempeño de la planta con el controlador en cuestión, comparando los resultados con los obtenidos con el PID.
Sintonización del control PID
Para implementar un controlador PID es necesario determinar los parámetros de éste. Generalmente y en la actualidad, la forma de implementar un controlador PID es electrónicamente. De forma analógica se recurre principalmente a amplificadores operacionales. En el caso de que sea de forma digital, se hace con microcontroladores, arreglos digitales como FPGAs, PLCs, etcétera.
Sin importar de que forma se desarrolle el control PID se deben conocer los parámetros con los que contará el sistema electrónico. AL proceso de determinar estos parámetros se le conoce como sintonización del controlador. Existen diversos métodos, unos analíticos o matemáticos, otros basados en la respuesta práctica del sistema a controlar. Recientemente, gracias a programas como Matlab, esos métodos pueden implementarse, simularse y analizarse mediante su herramienta Simulink.
Los métodos analíticos se basan en el análisis del modelo matemático del sistema a controlar. Es decir, requieren una ecuación o sistema de ecuaciones que representen el comportamiento del sistema a controlar. Un ejemplo es mediante el análisis del lugar geométrico de la raíces, respuesta en frecuencia con apoyo de diagramas de bode, entre otros.
Existe un método que no requiere el modelo matemático para sintonizar el controlador. Este es mediante la aplicación de las reglas de Ziegler y Nichols. Quienes dieron una serie de pasos e indicaciones de como detemrinar los parámetros del controlador PID, analizando la respuesta de la planta ante un escalón unitario.
En el caso de desarrollar el controlador PID con un sistema digital, se pueden utilizar los métodos ya mencionados. Es decir, el fundamento de sintonización es el mismo, solo cambiará el tipo de circuito que llevará a cabo el proceso de control. Ya existe algoritmos y programas que permiten implementar controladores de tipo PID en microcontroladores, FPGAs, PLCs, etc.
Conclusiones sobre el control PID
Vimos que es el control de tipo PID. Sabes que se compone de tres acciones de control, proporcional, integral y derivativa. Asimismo, sabes que efectos tiene este tipo de controlador en la respuesta de un sistema. Cabe señalar, que para comprender los anterior se mencionó que es un sistema de control, así como la diferencia entre éste y un sistema automático.