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Curso Control PID PRACTICO, Curso Sintonizacion Controladores

Con PID o sin PID?

 diciembre 12, 2019

By  Jose Carlos Villajulca


El venerable y “mítico” algoritmo Proporcional-Integral-Derivado (PID) puede resolver una variedad de problemas de control realimentado, pero no todos.

Los lazos que usan controladores PID, son por MUCHO, el metodo control más común para procesos industriales, como se indica en la reconocida revista Control Engineering’s. Al menos el 90% de los controladores son PID. Esto debido a que es muy intuitivo, si deseas saber mas PORQUES ingresa aquí Porque debes aprender Control PID?

Por ejemplo, cuando un proceso ya está en funcionamiento poner en marcha un controlador PID puede ser mucho más conveniente que las alternativas más académicas que requieren desconectar el proceso para las pruebas. Incluso cuando una técnica de control más avanzada (Fuzzy, MPC, etc) teóricamente proporcionaría un mejor rendimiento, el esfuerzo y los gastos adicionales necesarios pueden no valer la pena.

El controlador PID se ha convertido en el estándar y un “must”. Es un hecho que te van a enseñar Control PID en cualquier escuela, Instituto o Universidad del mundo en Control de Procesos. Incluso los especialistas y experimentados profesionales tienden a preferir PID para aplicaciones simples o de mediana complejidad porque puede hacer el trabajo con menos, comparado con los modelos y análisis matemáticos asociados que usan técnicas más avanzadas (incluso podrian hacer igual o mejor trabajo).

La popularidad histórica del algoritmo PID ha motivado a los proveedores de automatización a ofrecer controladores PID como un producto estándar. Otros algoritmos de control están disponibles como productos comerciales, pero ninguno está tan ampliamente disponible como un controlador PID. 


Ampliamente aplicable a…

La otra gran ventaja de los PID es su capacidad para manejar una amplia gama de problemas de control en todo el espectro de los procesos industriales, siempre que: 

  • El proceso controlado sea razonablemente de «buen comportamiento». (en adelante te explico que significa)
  • La única misión del controlador es forzar la variable de proceso para que coincida con el punto de ajuste o setpoint «tarde o temprano».
  • El actuador responsable de ejecutar los esfuerzos correctivos del controlador tiene suficiente influencia sobre el proceso para lograr o llegar al setpoint.

En términos académicos, «buen comportamiento» generalmente significa que el proceso es de primer o segundo orden, fase mínima, lineal, invariante en el tiempo y estable o integrador de bucle abierto. En términos prácticos, eso significa que el proceso se mueve constantemente en la dirección correcta si el controlador continúa presionando. Y si el controlador es más agresivo, el proceso se mueve más rápido a una velocidad predecible (ver abajo).

Figure 1: In this example of a well-behaved process, the process variable (green) reacts more-or-less immediately to a step change in the control effort (red). It then rises at an ever-decreasing rate until it reaches a steady-state value. First-order lag processes such as this one—common in temperature, pressure, and flow control applications—are particularly amenable to PID control. Courtesy: Control Engineering

Afortunadamente para los procesos industriales, muchos, si no la mayoría de los procesos que tiene y requieren control de temperatura, presión, nivel y flujo que tienden a comportarse muy bien. Aún así, hay una serie de problemas comunes de control donde un PID puede enfrentar desafíos, algunos de los cuales pueden superarse con estrategias de control adecuadas al algoritmo básico, aunque otros, no tanto. 


Problemas más difíciles para un PID

Considere, por ejemplo, el comportamiento del proceso representado en la figura a continuación, donde la variable del proceso no responde inmediatamente a la accion del controlador (es decir tiene bastante tiempo muerto). No solo es lento moverse en la dirección que el controlador quiere que vaya, sino que no se mueve en absoluto hasta mucho después de que el controlador ha comenzado a actuar!!

Figure 2: This process is less well-behaved in that the process variable (green) does not start to change until the deadtime has elapsed following a change in the control effort (red). This typically occurs in applications where the controller is acting on a material as it moves past the actuator to a sensor located some distance away. A PID controller for such a deadtime-dominant process would have to be endowed with the patience or foresight to wait out the deadtime before expecting any results from its most recent corrective efforts. Courtesy: Control Engineering

Si el retraso, o el tiempo muerto, entre el accionamiento del controlador y el comienzo de la respuesta del proceso no es tan largo, se puede usar un controlador PID no modificado para regular el proceso siempre que el algoritmo PID esté configurado para actuar lenta y pacientemente. Pero si el tiempo muerto es particularmente largo o la aplicación requiere mas rapidez, el controlador PID tendría que ser modificado y debemos incluir otros algoritmos como un Predictor Smith, etc.

El comportamiento del proceso representado en la Figura siguiente es un caso aún más difícil. Aquí, la variable de proceso responde más “agresivamente” a los movimientos del controlador cuando el proceso se ejecuta cerca del 100% de su capacidad. Se requiere un control mucho menos agresivo para llevar la variable del proceso del 50% al 100% en comparación con el esfuerzo requerido para llevarla del 0% al 50%. O al revés.

Figure 3: This nonlinear process pushes the limits of the PID algorithm. Its sensitivity to the control effort (red) increases as the process variable (green) increases, and vice versa. This could cause the controller to overreact at one extreme and underreact at the other. Process sensitivity that varies unpredictably over time would pose an even greater challenge for PID (or any other control algorithm, for that matter). Courtesy: Control Engineering

Un controlador PID básico tendría problemas para regular este proceso porque su agresividad tendería a ser dinámica, es decir, demasiado agresivo cuando el proceso se ejecuta cerca de la capacidad máxima y demasiado conservador en el otro extremo. La solución clásica a este problema, conocida como «programación de ganancia», y para esto podríamos poner mas de un controlador PID, cada uno activo solo cuando la variable del proceso se encuentra dentro de un cierto rango. O, activar el modo de ganancia programada si el controlador PID que estamos usando tiene ya incluida esta característica.

Por otro lado, si un proceso es no lineal como este ejemplo pero solo se requiere trabajar con un rango o banda de la variable de proceso, entonces un solo controlador PID tradicional debería ser suficiente. Los otros rangos donde el proceso se vuelve más sensible a los esfuerzos del controlador o menos, no importaría porque el proceso nunca iría allí (o muy rara vez). Afortunadamente, esta es una situación bastante común en aplicaciones industriales donde el objeto es mantener la variable del proceso en un punto de ajuste fijo o setpoint. 


Cuando NO es adecuado un Controlador PID

Asi como es de simple, popular y versátil los lazos de control con PID, hay casos en los cuales deberíamos no usarlos. Por ejemplo, hay momentos en que usar un PID sería excesivo. Consideremos, por ejemplo, un elemento calefactor de encendido / apagado que regula la temperatura dentro de un horno. Un lazo PID sería necesario solo si se requiere una alta precisión. De lo contrario, un controlador termostático ON / OFF como el de la mayoría de los hogares debería poder mantener una temperatura más o menos constante simplemente encendiendo el calentador cuando la temperatura baja demasiado o se apaga cuando la temperatura sube demasiado.

En el otro extremo, están los problemas de control que requieren mas “inteligencia” que la que proporciona un PID, como el control de restricciones donde el controlador debe planificar y actuar con anticipación “o predecir” las acciones del controlador para tener la variable de proceso dentro de sus rangos aceptables. También se requiere una planificación avanzada para el control multivariable, donde el controlador debe coordinar múltiples acciones sobre múltiples actuadores para controlar múltiples variables de proceso simultáneamente (MIMO).

Los lazos PID podrían adaptarse a la fuerza en cualquiera de estas aplicaciones, pero las técnicas de control más avanzadas y personalizadas a menudo son más rentables, al menos inicialmente. Demasiada frecuencia, el especialista o ingeniero que los diseña e implementa los “controles avanzados” pasará a otros proyectos o plantas, dejando a los “no especialistas” para mantener tanto el proceso y también a este “controlador avanzado”. Por lo tanto, si algo sale mal más adelante, puede que no haya suficiente experiencia interna para solucionar el problema (creeme, esto es un problema!!). Esta situación a menudo lleva a que el controlador avanzado sea reemplazado por PID o deshabilitado por completo a pesar de la degradación del rendimiento resultante. Así también, hay problemas de “control” que son difíciles , sino imposibles, de resolver mediante cualquier elección de algoritmo de control. Hablo, por ejemplo, de los sensores mal ubicados, los actuadores de tamaño insuficiente, las conexiones rotas, etc.,  que deben resolverse antes de que funcione cualquier tipo de controlador (es especial, los de control avanzado).

La recomendación es “agotar” las alternativas y siempre proponer controladores PID (sea simples o algunos avanzados), luego intentar usar siempre estrategias de control como Cascada, ratio, feedforward que junto con un PID, a mi experiencia, puede solucionar casi todos los problemas de control que tengamos. Solo despues de agotar las opciones anteriores, pensemos en estrategias Multivariables, Controles Predictivos, Fuzzy, Redes Neuronales, etc. 

Nuevamente, creeme, los controles avanzado son difíciles de mantener (mejorar, solucionar problemas, etc), los controladres PID no (o al menos es tan dramatico).

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PID 


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Jose Carlos Villajulca


Soy un apasionado Ingeniero Electrónico con especialización en Automatización, Control e Instrumentacion Industrial. Me encanta aprender cada dia, y sobre todo compartir mis conocimientos con el resto del mundo.

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