Como Realmente Sintonizar lazos de Control?

Sintonizar un lazo de control muchas veces es llamado un “arte”, o también se dice que solo las personas con mucha experiencia son las únicas que pueden sintonizar efectivamente un lazo de control. Por otro lado, hay muchas personas también que dicen que es algo muy fácil y que simplemente es cuestión de aplicar alguna fórmula sencilla o algún método de sintonización cualquiera y que con esto, tendrás tu lazo de control efectivamente sintonizado.

En mi opinión, no aplica ninguna de las dos situaciones anteriormente mencionadas. Lo que sí existe es que tienes que aprender una metodología clara donde estén todos los pasos correctos a seguir para que puedas enfrentar y sintonizar cualquier lazo de control de forma exitosa. Por lo tanto, no es necesario tener miles de años de experiencia, pero tampoco es realista decir que sintonizar un lazo de control sea algo “super sencillo” o que solamente sea la aplicación de una “simple formulita”.

Todo lo que yo escribo y enseño está enfocado siempre en la parte aplicada y práctica, por lo que en este artículo te voy a enseñar toda la metodología que tienes que seguir para ser exitoso cuando realizas la sintonización de un lazo de control. Solo déjame decirte que todo lo que voy a mencionar es algo realmente sencillo de aprender, y nuevamente lo digo, si tienes una metodología clara y correcta. Con esto, cualquier ingeniero con mucha experiencia o sin experiencia, cualquier técnico e incluso cualquier aficionado a la automatización y control de procesos podría realizar la sintonización de forma muy efectiva.

A lo largo de mi carrera, ya casi 16 años trabajando en automatización y control de procesos, he visto fallar literalmente cientos de lazos de control por tener una pobre sintonización, estar mal configurados o simplemente porque el ingeniero o técnico a cargo de poner en marcha el lazo de control o de sintonizarlo no tenía una metodología clara para realizar este trabajo.

El problema, en mi opinión, está en que incluso hoy en día muchos libros se enfocan en un proceso de sintonización de lazos de control muy teórico, sin o con muy poco enfoque en la aplicación práctica. Son muy pocos los libros o la literatura que realmente te enseñan, desde la experiencia o aplicación práctica, cómo hacer todo este trabajo. Ni qué decir sobre lo que enseñan en las universidades e institutos tradicionales, que prácticamente todo eso no se traduce, no concuerda o no se puede aplicar a la realidad.

Si logras aprender toda la metodología que te voy a indicar a continuación, estoy 100% seguro de que vas a ser un profesional diferente y que hará las cosas de forma adecuada cuando te enfrentes a la sintonización de lazos de control. Te aseguro que serás un profesional que sabrá hacer las cosas en el menor tiempo posible, con el mejor criterio posible y con los mejores resultados posibles.

Por último, antes de empezar, quiero decirte que no vamos a entrar en mucho detalle en cada uno de los puntos. La intención, como mencioné anteriormente, es darte un marco de trabajo, una metodología, un paso a paso que debes cubrir para poder tener un conocimiento práctico y aplicado integral y poder enfrentar lazos de control. Así que en posteriores publicaciones, posiblemente tocaremos cada uno de los sub-pasos, o al menos haremos un resumen de los mismos, ya que cada uno, incluso podría corresponder a clases completas.

Ok, dicho esto, manos a la obra:

Paso 1: Los requerimientos u objetivos (el proceso siempre manda)

Pues aquí es cuando comienza la diversión. Lo primero que debes conocer, antes de cualquier cosa, antes de tocar algo, antes de modificar parámetros, antes de nada, es conocer los requerimientos u objetivos del lazo de control. Sin esto claro, es posible que antes de dar siquiera el primer paso, ya estés fracasando. Quien te brinda los objetivos de tu lazo definitivamente está basado en la necesidad del proceso, normalmente es el operador, el supervisor de operaciones de la industria, quien te dirá claramente cuáles son esos objetivos. Normalmente te pueden indicar de forma verbal: ‘Quiero que este lazo sea rápido’, ‘que responda muy rápido’, o quizás te digan: ‘quiero que este lazo sea muy, muy, muy exacto respecto a la referencia que yo pongo’. O también puede ser que te digan: ‘quiero que el lazo se mantenga muy bien en el setpoint que le ponga, incluso si hay cambios en el proceso o perturbaciones’. Y así puede haber una serie de requerimientos que el proceso necesite. Cada uno de estos requerimientos será la base para diseñar toda nuestra estrategia de sintonización. Un error muy común, sobre todo entre profesionales y técnicos con poca experiencia, es pensar que un lazo de control siempre debe tener una respuesta “idonea”, una respuesta lo más rápida posible y que siempre debe estar en el set point sin sobrepasarlo.

En general, asegúrate de entender bien cuál es el objetivo del lazo de control para que enfoques todos tus esfuerzos en sintonizarlo y cumplir ese objetivo.

Paso 2: Entender el sistema o proceso a controlar

Este paso se refiere a visualizar de forma global y entender de forma específica el proceso que vamos a controlar. Aquí hay varias cosas que revisar, pero voy a intentar darte un resumen para que puedas obtener lo más importante. Una de las cosas que debes obtener del proceso es la caracterización o el modelo del proceso. Cuando hablamos de modelo de proceso, no te asustes, no es algo complejo. Es algo sencillo obtener el modelo del proceso con unos simples pasos, como excitando al proceso con algún cambio en la válvula o en tu actuador. Vas a poder obtener parámetros principales del proceso, como el tiempo muerto, la constante del proceso, la ganancia, entre otros puntos más. Otra cosa importante que debes conocer del proceso es el tipo de proceso. Por ejemplo, si es un proceso integrativo o si es un proceso autorregulado. Existen otros tipos de proceso, pero sin embargo, estos dos últimos son los más importantes, son los que casi siempre nos vamos a encontrar. Conocer qué tipo de proceso es, te va a ayudar grandemente a elegir tu estrategia de sintonización. Otro punto, por ejemplo, es si este proceso es estable a lazo abierto o si es o no lineal. Si tiene una respuesta inversa, si tiene componentes de histéresis. También es importante saber qué acción tiene el proceso. 

Uno de los puntos relevantes que tenemos que conocer del proceso es cuánto tiempo muerto tiene. Considerando que casi siempre vamos a utilizar un controlador PID y que, por consecuencia, mientras un proceso tenga más tiempo muerto será más difícil de controlar con estrategias de control basadas en controladores PID.

Hay otros puntos más que conocer del proceso. Repito, no es algo complejo, pero sí debes llevar a cabo una metodología adecuada para estudiar el proceso. Si conoces adecuadamente el proceso que quieres controlar, déjame decirte que prácticamente ya tienes la batalla ganada.

Paso 3: Seleccionar el Controlador o Estructura de Control

Una vez que ya entendimos qué queremos hacer y hemos entendido todo sobre el proceso en el cual vamos a trabajar, el siguiente paso natural es saber qué tipo de controlador o estructura de control vamos a utilizar. Normalmente, y diría que para más del 95% de los casos, vas a utilizar un controlador PID o alguna estructura de control basada en controladores PID. Aquí, la recomendación es comenzar con una estructura muy simple, quizás solamente un controlador PID simple. Dependiendo de los resultados, podrás incrementar la complejidad. Hay casos típicos en los cuales debes usar, por ejemplo, estrategias de control en cascada o estrategias de control feedforward ya preestablecidas y conocidas. Sin embargo, si no tienes idea de qué estructura de control utilizar, comienza por lo más simple, simplemente un controlador PID.

Lo siguiente es elegir qué tipo de control PID usar. Como ya estudiaste y conoces a la perfección tu proceso, entonces esta elección puede ser una tarea sencilla. Aquí estamos hablando de las formas del controlador, como el tipo PI, P, PID, PD, PIDE, entre muchas otras variaciones que puedes encontrar dentro del DCS o el PLC que tengas a disposición.

En el controlador PID, tendrás que configurar varios parámetros, como la acción del controlador, que está asociada a la acción del proceso, las unidades del controlador, los parámetros de sintonización del controlador. Debes tener claridad sobre qué tipo de unidades son las que vas a manipular. Me refiero a las unidades de la acción integral, de la acción derivativa y de la proporcional. Si no tienes claro, por ejemplo, en qué unidades se expresan estos parámetros, es muy probable que no tengas éxito en tu trabajo de sintonización. Otros aspectos a considerar son qué tipo de controlador PID tienes esa disposición en tu planta. Hay algunos que son stand-alone o esta instalados en campo, otros que están dentro de PLCs y que también tienen otra estructura, o en algun DCS, o en bloques dentro de instrumentos como con el protocolo Foundation Fieldbus, entre otros. Otra cosa que debes considerar es cuál es la estructura comercial de este PID, qué parámetros comerciales o prácticos incluye que te ayudarán a tener éxito con tu sintonización. Otro punto importante es el tipo de ecuación de controlador PID que está dentro. Porque todos los parámetros de sintonización reaccionarán de manera diferente ante un determinado tipo de ecuación.

En general, un estudio profundo de la selección del controlador y un estudio profundo de todas las características y opciones del mismo controlador que vas a usar serán vitales para que tengas éxito en esta tarea.

Paso 4: Realizar la sintonización del controlador

Si has ejecutado y estudiado todos los pasos anteriores de manera adecuada, este paso de sintonizar el controlador debería ser una tarea relativamente simple. La recomendacion es que primero debes saber qué hacer antes de sintonizar, como por ejemplo, saber claramente cuál es realmente el problema de la de-sintonización o descontrol de tu lazo de control. En lazos ya sintonizados, es muy probable que la sintonía no sea el problema en sí mismo, sino que, por el contrario, puede haber deficiencias en la instrumentación, en el cableado, puede haber cambios en el proceso, puede haber varias problemas que deberías arreglar primero o revisar antes de tocar la sintonización. Otro punto importante es ver la peligrosidad del proceso que vas a sintonizar o la importancia del lazo que vas a sintonizar. Esto determinará si debes tener mayor o menor precaución y si debes aplicar procedimientos de seguridad para que tu sintonización sea un éxito. 

Algo muy recomendable en este paso es documentar muy bien todos los cambios y pasos que vayas realizando, todas las pruebas gráficas de tendencia y cualquier otra cosa que te ayude a documentar de manera global todo el proceso de sincronización que estás llevando a cabo. Normalmente, hacer esto en una hoja de Excel es más que suficiente y resulta realmente útil. De esta manera, cuando llegues a un punto, podrás analizar todos los cambios y los efectos que estos cambios han tenido para poder tomar una adecuada decisión y mejorar la sintonización. 

Otra cosa que ya tiene que ver estrictamente con la sintonización es qué métodos de sintonía vas a utilizar. Pueden ser métodos cuantitativos, es decir, algún método formal en el que haya fórmulas preestablecidas de sintonización, o métodos cualitativos, que tienen que ver con la variación de parámetros de sintonización sin un cálculo específico. Me refiero al famoso método de “prueba y error”. En mi experiencia, recomiendo utilizar tres métodos de sintonización: Ziegler-Nichols, Lambda y Cohen-Coon. Con estos tres métodos y sus variaciones para cada tipo de proceso en particular, podrás enfrentarte adecuadamente a prácticamente cualquier lazo de control.

En este punto, y finalmente, quiero decirte que no existe un método de sintonización ideal que cubra absolutamente todos los procesos a sintonizar. Mucho dependerá del tipo de proceso y las características, sumado al objetivo que tiene tu lazo, para que puedas elegir un método de sintonización adecuado y que se adapte mejor a ese objetivo de sintonización. También va a depender de tu propio carácter, de tu propia comodidad con la utilización del método y de tu experiencia usando el método. Conozco, por ejemplo, a profesionales que utilizan solamente dos métodos, otros que utilizan cinco métodos, y otros que utilizan tres métodos muy diferentes a los que yo uso, pero con todo el conocimiento del proceso y los controladores, también suelen ser exitosos. Así que, en última instancia, dependerá de ti, de tu experiencia y de tus pruebas a lo largo del tiempo elegir los métodos que más te acomoden.

Paso 5: ¿Cumple el requerimiento u objetivo?

Ya finalizada la sintonización, lo siguiente es validar si la respuesta de tu lazo cumple con el requerimiento inicial y si el operador o la persona encargada de controlar el proceso está satisfecha. Si es así, entonces lo que queda es definir un plan de monitoreo para ese lazo de control. Esto variará dependiendo de la importancia del lazo, del proceso y otros parámetros. Podría ser verificaciones semanales, mensuales o bajo demanda. Esto es algo que debe definirse.

Si tu lazo aún no cumple con el requerimiento u objetivo, entonces debes revisar los pasos anteriores. Debes hacerte preguntas como si has estudiado adecuadamente el proceso, si ese proceso que has estudiado ha cambiado o no, si la configuración que has hecho en tu controlador PID es la adecuada. Luego, pregúntate si el método de sintonía que has elegido es el idóneo y realiza más pruebas en condiciones ideales para el proceso. Y si nada de esto funciona, posiblemente debas elegir una estructura de control basada en PID más compleja para cumplir con estos requerimientos. 

Finalmente, si nada parece funcionar y, a pesar de todos tus esfuerzos, no logras alcanzar el objetivo de control que te han solicitado, es probable que debas buscar otros tipos de controladores, posiblemente más avanzados o más adecuados para el objetivo que se requiere en este lazo de control. Algunos ejemplos podrían ser controladores Fuzzy, controladores Fuzzy+PID, controladores predictivos basados en modelos (MPC), entre otros.

Conclusión

Hasta aquí, hemos revisado todos los puntos y bloques relevantes que debes tener en cuenta para sintonizar de manera exitosa un lazo de control. Lamentablemente, parece ser algo complejo, y muchos ingenieros o técnicos no están dispuestos a seguir todo este proceso, a pesar de que en la práctica es algo sencillo si se sigue una metodología adecuada. Dependerá de ti si quieres ser un profesional en toda la extensión de la palabra y te tomas el trabajo de seguir todos estos pasos para que realmente tu trabajo sea excepcional. O quizás quieras ser ese tipo de profesional que quiere las cosas demasiado fáciles y que manipula la sintonización de un lazo de control simplemente tirando una moneda al aire y rezando para que funcione. Finalmente, te aseguro que si sigues todo lo que te he mencionado, no hay ninguna duda de que lograrás realizar una excelente sintonización.