Un procedimiento de sintonización PID Cuantitativa es una metodología paso a paso para llegar directamente a encontrar valores numéricos para ser usados en un controlador PID.

 

Estos procedimientos pueden ser divididos en dos categorías: en lazo abierto “open loop” y en lazo cerrado “closed loop”. Un procedimiento de sintonización “open loop” es implementado con el controlador en modo manual: haciendo una serie de pequeños cambios “step-change” en la salida del controlador y entonces se analiza matemáticamente los resultados de la respuesta de la variable de proceso para calcular la configuración del controlador PID cuando sea puesto en modo automático. Un procedimiento de sintonización “close loop” es implementado con el controlador en modo automático: ajustando los parámetros de sintonía para lograr un resultados DEMO, para luego usar estos valores de parámetros PID y la información de la gráfica de proceso en el tiempo para calcular nuestros parámetros PID.

 

 

La sintonización cuantitativa empezó con un paper publicado en noviembre de 1942 en “Transactions of the American Society of Mechanical Engineers” escrito por dos ingenieros: Ziegler y Nichols. “Optimun Setting for Automatic Controllers” es un paper prototipo, y digno de ser leído por cualquier estudiante o profesional de teoría de control de procesos. Esas recomendaciones para configurar un controlador PID puede aún ser utilizadas después de más 60 de su publicación y que de echo impacto profundamente el campo de la instrumentación  y el control. A pesar de la fecha y que su terminología referencia a controladores con tecnología neumática, el algoritmo PID descrito por los autores y sus efectos de ajustar los parámetros  P, I y D en el comportamiento del control de procesos son aun validas hoy en dia como lo fueron entonces.

 

Valores prácticos recomendados por Ziegler y Nichols

 

A partir de este artículo nos dedicaremos a discutir el procedimiento cuantitativo de sintonización PID en general y el método de “Ziegler-Nichols” en específico. En mi humilde opinión los métodos de sintonía de Ziegler-Nichols son útiles primariamente como referencias históricas, y ciertamente sufre de serios impedimentos prácticos. El impedimento más serio que tengo para estos métodos (y en general para cualquier procedimiento de sintonización PID) es que estos métodos tienden a limitar o entorpecer el entendimiento del proceso que estamos intentando sintonizar y por el contrario se vuelve algo repetitivo que simplemente tenemos que “repetir” sin pensar en por qué ocurren las cosas. La sintonización PID es una d esas “tareas complejas”, y existe la posibilidad que una persona haga más daño que el bien si se realiza un método paso a paso en vez de entender lo que se está haciendo, porque se está haciendo, y que significa y si los resultados están acorde o no con eso. Por favor es bueno tener en mente esto cuando estudiemos cualquier procedimiento de sintonización PID.

 

 

 

 

 

Una de las preguntas que se recomienda a ingenieros o técnicos instrumentistas preguntar a operadores cuando intentan diagnosticar cualquier problema en el proceso es simplemente: “Que tan tiempo ha existido el problema?”. La antigüedad del problema puede ser un importante indicador de las posibles causas.

 

Si nos dicen que el problema ha ocurrido recién durante el último turno de noche, nos inclinaríamos a sospechar que un equipo ha fallado, o algo más que pudo haber sucedido repentinamente (por ejemplo alguien abrió o cerró una válvula manual cuando no debería).

 

 

 

Alternativamente, si nos dicen que el problema está presente desde el día que el proceso fue construido, nos inclinaríamos a sospechar que un problema con el diseño del sistema o una mala instalación. Esta misma técnica de diagnóstico (obteniendo la “historia” del “paciente”) aplica TAMBIEN para la sintonización de lazos de control. Un lazo de control que de repente deja de trabajar puede ser provocado por la falla en un instrumento (o un cambio no autorizado en los parámetros del controlador), mientras que un mal comportamiento en el tiempo del lazo nos indicaría un mal diseño, mala instalación de la instrumentación, o un controlador que nunca fue sintonizado adecuadamente.

 

En cualquiera de los dos casos, un control pobre puede ser causado por problemas en la instrumentación como por una sintonización del controlador PID inadecuada. NO existen parámetros PID que hagan posible compensar fallas en la instrumentación de campo, pero si es posibleque algunos problemas en la instrumentación sean “enmascarados” por la sintonización del controlador. Nuestro primer paso en vez de manipular el lazo de control debería ser revisar el estado de la instrumentación. Afortunadamente, esto es relativamente fácil de hacer realizando una serie de pruebas “step-change” con el controlador en modo manual. Poniendo el controlador en modo manual y realizando pequeños cambios en la señal de salida (recuerde revisar con los operadores que tal grande puede ser ese cambio en la salida, y que tan rápido podemos realizar los cambios de PV), podemos determinar bastantes cosas respecto al proceso y al lazo instrumentado como:

 

 

  • -Si la señal de la variable de proceso PV tiene “ruido” (primero deshabilite todo el damping en el controlador y transmisor)
  • -Cuanta fricción existe en la válvula de control.
  • -Si el proceso es integrativo, runaway o auto-regulatorio.
  • -La ganancia del proceso (y si esta ganancia es estable o si es variable ente cada cambio de PV)
  • -El tiempo de retardo del proceso y el grado del mismo (primer orden o múltiple orden)
  • -Tiempo muerto del proceso.

 

 

Una prueba de lazo abierto puede revelar varios potenciales problemas sin determinar la naturaleza exacta o localización de estos problemas. Por ejemplo, un tiempo de retardo amplio puede ser intrínseco del proceso, o puede ser resultado de una mala instalación del sensor o transmisor (por ejemplo un termocupla que no ha sido instalada en contacto con la base de su termopozo) o incluso la válvula de control necesita un valor de boostermayor o del mismo posicionador. El tiempo muerto en una prueba de lazo abierto puede también ser intrínseco del proceso, intrínseco del sensor o podría ser el resultado de la fricción en la válvula. La única manera de definitivamente identificar los problemas es hacer un testeo de los instrumentos mismos, idealmente en campo.

 

Una herramienta indispensable para identificar problema en un lazo es un registrador de tendencias, que nos va a mostrar todas las variables relevantes de un lazo de control graficadas en el tiempo. Para obtener la mejor “vista” del proceso, necesitaremos estar seguros de que la gráfica tenga la suficiente resolución y sensibilidad. Si la tendencia falla en mostrar detalles finos como el ruido del proceso, es posible que la gráfica sea insuficiente para nuestras necesidades.

 

Una alternativa podría ser utilizar un computador portable con una tarjeta de adquisición de señales, dando al computador la habilidad de leer las señales de los instrumentos. Hoy en día existen muchos software para mostrar tomar datos y generar graficas en tiempo real, además muchos módulos con tasas de muestreo en el orden de los cientos de muestras por segundo que están disponibles a precios módicos.

 

A lo largo de los artículos de este curso hemos hablado bastante de lo que un control PID robusto. Y esto incluye conocer al proceso, reconocer que tipo de proceso estamos tratando, la ganancia en estado estacionario, el tiempo de retardo, tiempo de retardo múltiple, tiempo muerto entre otras.

 

Incrementar la productividad, disminuir el esfuerzo de los equipos e incrementar la seguridad del proceso son algunas de las ventajas que nos brinda una sintonización de un PID adecuada. Sin embargo, frecuentemente es pasado por alto las consecuencias negativas de un controlador PID con una pobre sintonización. Si un control PID robusto puede incrementar la productividad, entonces un pobre controlador PID puede disminuir la productividad.

 

 

 

Si una buena sintonización ayuda a que la vida de los equipos se prolongue y sean mas seguros, entonces un sistema mal sintonizado puede incrementar la frecuencia de falla y accidentes. Entonces el profesional de instrumentación debe tener muy en mente todos estos aspectos cuando se realice el procedimiento de sintonización de sistemas de control PID. Nunca debemos pensar que no hay “nada que perder” cuando probamos diferentes configuraciones de PID. Sintonizar un controlador PID es una cosa tan seria como reconfigurar cualquier instrumento en un proceso activo.

 

En realidad los parámetros de sintoniza de un controlador PID están siempre a la mano, lo que hace que los instrumentistas tengas siempre la tentación de empezar a mejorar la performance de un lazo de control, y se suele pensar que porque sintonizas el controlador en un paso o al primer intento ya somos capaces de hacer sintonización de lazos realmente revoltosos con solo algunos ajustes. El mensaje es claro, paro quienes no entienden el control PID a cabalidad (y esto incluye a la gran mayoría de personas en el mundo industrial) existe algo “mágico” para poder lograr un control robusto haciendo algunos pequeños ajustes en la computadora (o perillas en controladores analógicos). Sin embargo, la realidad es que muchos sistemas de control con comportamiento pobre no se debe (o al menos no puramente) a un deficiencia en la sintonización de los valores de sintonía, y más bien a problemas externos al controlador.

 

Ajustar los parámetros de sintonía COMO PRIMER PASO para resolver los problemas en un lazo de control es una MALA IDEA.

 

En los siguientes artículos expondremos y explicaremos algunas recomendaciones que debemos realizar antes de empezar a realizar los ajustes a los parámetros de sintonía en un lazo de control. Estas consideraciones incluyen:

 

-Identificar las necesidades operacionales (Como el operador desea que el sistema responda?)

-Identificar los peligros del sistema y proceso antes de manipular el lazo de control.

-Identificar si es un problema de sintonización, un problema de instrumento y/ó un problema de diseño.

 

Es necesario dedicar un artículo a cada una de estas consideraciones (no muy largos) y explicarlos a detalle. Poco a poco no acercamos realmente al tema de la sintonización, que con los conceptos que hemos aprendido anteriormente (si es que no haz estudiado y entendido), veremos que es un proceso no complicado pero que si muchas veces tenemos que estudiar al proceso antes de realizar cualquier cambio.

 

Bueno nos vemos en el próximo articulo!!!

 

De manera simple, los procesos auto-regulatorios tienden a ser de primer orden: esto significa que ellos solo tiene un mecanismo de retardo. Pero, algunos procesos complicados generalmente consisten en sub-procesos, y cada uno de estos tiene su propio tiempo de retardo (lag time). Veamos el ejemplo de un horno de convección, que calienta una patata.

 

Como “especialistas” en instrumentación de “cocina” (:D), decidimos monitorear la temperatura del horno y de la patata usando termocuplas e indicadores remotos de temperatura:

 

 

 

El horno por sí mismo es un proceso de primero orden. Dando el tiempo y suficiente aire de circulación, la temperatura del aire del horno eventualmente se auto-estabilizará en la temperatura del elemento de calentamiento. Si graficamos su temperatura en el tiempo con la potencia de calentamiento en modo  “manual” (sin control de aun termostato), veremos una clásica función de primer orden:

 

 

La patata por su lado forma parte de otro proceso de primer orden, absorbiendo calor del aire dentro del horno (calor transferido por convección), gradualmente se calentará hasta la temperatura del horno (eventualmente). Desde la perspectiva del elemento de calentamiento hacia la temperatura del aire del horno, tenemos un proceso de primer orden. Desde la perspectiva del elemento de calentamiento hacia la patata, sin embargo, tenemos un proceso (ahora) de segundo orden.

 

De manera intuitiva podríamos creer que un proceso de segundo orden es simplemente como un proceso de primer orden pero mucho más lento, sin embargo esto es incorrecto. Tener dos retardos de primero orden crea una diferencia sustancia de tiempo dinámico. En otras palabras, dos retardos de primer orden no es simplemente un GRAN retardo de primer orden, por el contrario un retardo de segundo orden si tu PROPIA y única característica dinámica.

 

Si superponemos la gráfica de la temperatura de la patata con la gráfica de la temperatura del horno, veremos que la forma de este retardo de segundo orden es DIFERENTE. La curva ahora tiene una forma de “S”, en vez curva convexa.

 

 

Esto, de hecho, nos indica que hay múltiples retardos en un proceso: una gráfica en forma de “S” en vez de la curva simple de un proceso de primer orden.

 

Si tuviéramos la posibilidad realizar un rampa de crecimiento en la potencia del calentador a una tasa constante y graficáramos la temperatura del elemento de calentamiento, aire y patata, veríamos claramente los tiempos de retardo SEPARADOS del horno con la patata en cualquier temperatura dada.

 

 

Otro ejemplo claro de este fenómeno el control de nivel de tres recipientes drenados por gravedad en cascada.

 

 

Desde la perspectiva del transmisor de nivel en el último recipiente, la válvula de control está controlando a un proceso de tercer orden, con tres diferentes retardos en cascada seriados. Este sería un proceso difícil de controlar, y no solo porque la posibilidad de que los recipientes intermedios se rebalsen (dado que no estamos midiendo sus niveles)!!!.

 

Cuando consideramos la respuesta dinámica, usualmente nos preocupamos en primera instancia del proceso físico en sí. Sin embargo, los instrumentos asociados para ese proceso también influyen en el orden y tiempo de retardo. Como hemos visto en artículos anteriores, casi toda función física tiene alguna forma de retardo o lag. Incluso los instrumentos que usamos para medir las variables de proceso tienen su propia (usualmente muy corto) tiempo de retardo. Las válvulas de control pueden tener un tiempo de retardo sustancial, en casi 10 segundos por algunas válvulas. Por tanto, una válvula de control “lenta” que ejerce control sobre un proceso de primer orden inevitablemente creara una respuesta de un lazo de segundo orden. Los termopozos usados con los sensores de temperatura como termocuplas y RTD’s pueden también introducir tiempos de retardo en el lazo (especialmente si el elemento de sensado no está en contacto directo con el termopozo).

 

Esto significa que es prácticamente imposible tener un lazo de control con una respuesta pura de primer orden. Muchos lazos cerrados reales se toman como de primer orden, solo porque el tiempo de retardo del proceso físico es mucho más grande que los pequeños tiempos de retardo de los instrumentos. PERO, para procesos inherentemente rápidos como el control flujo de líquido y presión, sin embargo, la respuesta del proceso es mucho más rápida que la suma de los tiempos de retardo de válvulas, transmisores y otros instrumentos en el lazo y por tanto alteran significativamente la característica dinámica del lazo de control.

 

Los retardos de orden múltiple con un problema relevante para la sintonización de un lazo PID porque vuelven al proceso mucho más difícil de controlar con acciones proporcionales e integrales,  y claramente necesitará acción derivativa. Mientras más tiempo de retardo tenga un proceso, más retardo habrá para que la variable de proceso cambie por influencia de la señal de salida del controlador.

 

Cuando hablamos de ganancia del controlador, nos referimos  a la agresividad de su acción de control proporcional: la razón del cambio de salida con el cambio de entrada. Sin embargo, podemos ir un paso adelante y representar cada componente dentro de un lazo de control como si tuvieran su propia ganancia (la razón del cambio de salida entre el cambio de entrada).

 

 

 

La ganancia intrínseca del dispositivo de medida (transmisor), el dispositivo final de control (como una válvula de control), y el proceso mismo son todas importantes para ayudar a determinar la ganancia necesaria para lograr un control robusto. Mientras mayor es la ganancia combinada del transmisor, proceso y válvula, menor ganancia será necesaria en el controlador. Mientras menos será la ganancia combinada del transmisor, proceso y la válvula, mayor ganancia será necesaria en el controlador. Dicho esto podemos hacer funcionar nuestro sentido común: mientras un proceso sea más “reactivo”, el controlador necesita ser menos agresivo a fin de lograr un control estable (y vice-versa).

 

Estas ganancias combinadas pueden ser determinadas empíricamente realizando una prueba simple con el controlador en modo MANUAL. Poniendo el controlador en modo manual (y por tanto deshabilitando la corrección automática de los cambios del proceso) y ajustando la señal de salida a alguna cantidad determinada, el resultado del cambio en la variable de proceso puede ser medida y comparada. Si el proceso es auto-regulatorio podemos determinar una relación entre los cambios de PV y los cambios en la salida del controlador.

 

Por ejemplo, examinemos la tendencia de este proceso como resultado de un step-change en modo manual y centrémonos en la respuesta de la variable de proceso:

 

 

Aquí, el cambio en la salida   (step-change) es el 10% de la escala, mientras que la variable de proceso resultante de este cambio es más o menos 7.5%. Por lo tanto, la ganancia del proceso (junto con el transmisor y el elemento final de control) es aproximadamente 0.75 o 75% (Ganancia = 7.5%/10%). Dicho sea de paso, que es irrelevante que produzcan pasos hacia abajo de PV en respuesta a pasos hacia arriba en la salida del controlador. Simplemente esto significa que el proceso tiene una respuesta inversa, para lo cual necesita una acción directa en el controlador para lograr un feedback negativo. Cuando calculamos la ganancia, usualmente ignoramos la dirección (signos matemáticos) y simplemente hablamos en términos de valores absolutos.

 

Comúnmente nos referimos a esta ganancia como la “ganancia de estado estable” (steady-state gain) del proceso, porque la determinación de la ganancia es hecha después de PV se sitúe por si solo en nuevo valor después de un step-change.

 

Desde la perspectiva del controlador las ganancias individuales del transmisor, el elemento final de control y el proceso físico se mezclan en un solo valor de ganancia, el proceso puede entonces aparecer más o menos sensible (más o menos ganancia de estado estable) solo alterando la ganancia del transmisor y/o la ganancia del elemento final de control.

 

Consideremos, por ejemplo, si redujéramos el span del transmisor en este proceso. Supongamos que fuera un control de flujo, y que el transmisor ha sido calibrado a un rango de 0 a 200 litros por minuto (LPM). Si cambiamos el rango a un nuevo valor de 0 a 150 LPM, que efecto tendría esto en la ganancia aparente del proceso?

 

Para responder a esta pregunta, debemos nuevamente revisar la gráfica de tendencia del proceso para el antiguo rango:

 

 

Donde vemos que el 7.5%PV corresponde a un cambio de 15LPM del flujo en el transmisor de 200 LPM de span. Sin embargo, cuando cambiamos el rango a sus tres cuartos (150 LPM) de la cantidad de span, y hacemos exactamente el mismo step-change o escalón a la salida del controlador veremos que hemos el efecto será mayor en el flujo, aun cuando la respuesta física del proceso sea la misma de antes:

 

 

Desde la perspectiva del controlador (el cual solo conoce el porcentaje de señal del rango) la ganancia del proceso sea incrementado de 0.75 a 1, sin más que solo un cambio de rango en el transmisor. Dado que el proceso ahora es más “sensible” para un mismo porcentaje de salida del controlador, habrá posiblemente la tendencia de que el lazo oscile en modo automático incluso si lo oscilaba con el rango anterior de transmisor. Un solución simple a este problema es disminuir la ganancia del controlador en el MISMO factor que el proceso incremento su ganancia: necesitamos para nuestro caso necesitaríamos hacer que la ganancia del controlador sea 3/4 de lo que fue antes, dado que la ganancia del proceso es ahora 4/3 de lo que fue antes.

 

El mismo efecto ocurre si el elemento final de control (usualmente una válvula de control) es redimensionado. Si ante el mismo porcentaje de cambio en la salida del controlador resulta una cantidad diferente de PV debido a que el elemento final de control se tornó más o menos influyente, la ganancia del proceso habrá cambiado (al menos desde la perspectiva del controlador), será necesario realizar  una re-sintonización para mantener un control robusto.

 


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