Aplicación en proceso industrial del Controlador Proporcional Integral Derivativo (PID). Los lazos de regulación por medio de Controlador proporcional integral derivativo más encontrados en la industria.
Lazos de regulación de temperatura (dinámicas lentas, con o sin retardo y perturbaciones de baja frecuencia, como: aire acondicionado, calentadores, refrigeradores, maquinaria de inyección de plástico, la industria de embalaje, embalaje, entre otros) Lazos de regulación de nivel (combinación de varias dinámicas, sin retardo retardo y perturbaciones de media frecuencia: Nivel en tanques de líquidos como agua, lácteos, mezclas, crudo, etc.)
Lazos de regulación de presión (dinámicas rápidas, sin retardos y perturbaciones de alta f recuencia: para mantener una presión predeterminada en tanques, tubos, recipientes, canales y otros)
Lazos de Flujo (mantienen la cantidad de flujo dentro de una línea o tubo)
Desarrollo de los tipos de regularización más destacados.
Regulación de temperatura:
En todo proceso industrial existe una señal de proceso, una u na consigna y una acción de de control. Estas tres variables están interrelacionadas entre sí por medio de lo que se denomina un lazo de regulación. El ejemplo siguiente puede ser válido para definirlo:
En este caso la variable de proceso (PV, del inglés Process Value) es la temperatura de salida de aceite del intercambiador, la señal de consigna (SP, del inglés Set Point) es el valor de temperatura que nosotros queremos que tenga dicho aceite y la salida de control (OUT) es la acción de control que va a producir la apertura o cierre de la válvula motorizada para que entre más o menos agua fría al intercambiador y de esa manera enfríe el aceite a la temperatura que nosotros queramos. La acción de control intentará que la diferencia entre la consigna SP y el valor de proceso PV sea mínima e incluso nula; para ello se dispone de lo que se llama un bloque PID que en función de unos parámetros de ajuste internos variará la salida OUT de manera que así sea. Los bloques PID o bloques de regulación están hoy en día implementados en todos los autómatas y sistemas de supervisión y funcionan según un algoritmo matemático que difiere de unos a otros fabricantes. La acción P va a generar una salida de control proporcional al error entre SP y PV. Si este parámetro es la Ganancia Proporcional, dicha acción será directamente proporcional al error; si el parámetro es la Banda Proporcional la acción de control será inversamente proporcional al error entre SP y PV. Hablando claro, para un error dado entre SP y PV, si el bloque PID trabaja con Ganancia proporcional, cuanto mayor sea el valor aquí introducido mayor será la acción de control. Por el contrario, si el bloque PID trabaja con Banda Proporcional, la acción de control será mayor cuanto menor sea el valor del dato introducido para este campo. La acción I va a producir un cambio de la acción de control en el tiempo, es decir, va a hacer que la acción de control varíe en sentido ascendente o descendente aunque el error entre el SP y el PV sea el mismo. Al igual que en el caso anterior hay dos tipos de tiempos integrales, uno viene dado en repeticiones por minuto y otro en minutos por repetición y al igual que en el caso anterior, uno es inverso del otro. La acción D va a variar la acción de control en función de la velocidad del proceso, esto es en función de la velocidad con que crece o decrece el error entre SP y PV. Estas tres variables se definen en inglés como GAIN, RESET y RATE respectivamente. Los parámetros explicados anteriormente son los básicos de todo lazo de regulación, aunque muchos fabricantes incluyen además de estos, otros con la idea de adecuar la PID al proceso requerido de tal modo que la acción de control sea la correcta. Muchos bloques PID disponen de una función llamada autotunning que busca los parámetros idóneos de regulación para el proceso que estén controlando de manera automática.
También existe el denominado lazo en cascada como el que se muestra a continuación:
En él se puede apreciar que la salida de control del primer bloque PID se escala en unidades de consigna de temperatura para el siguiente bloque PID y la salida de control de éste actúa sobre la válvula de control. Con este sistema se pretende controlar la salida de la temperatura del agua del intercambiador para de este modo regular a su vez la de salida del aceite del mismo. En los procesos industriales todos los lazos de regulación pueden simplificarse a los dos ejemplos anteriores, combinaciones de dos o más de ellos o de ambos a la vez.
Regulación de Caudal
Este tipo de regulación como en las regulaciones de nivel y presión se necesita de dispositivos de gama de regulación alta, en la que la velocidad de regulación debe ser mayor que en casos anteriores, optimización de regulación, disponer de funciones back up, estos procesos requieren de este tipo tratamientos ya que exigen una gran seguridad y precisión. Utilizando el estudio de diagrama de bloques del regulador podemos definir zonas: 1. Zona superior: Realiza la comparación entre el valor de consiga y el valor real del proceso normalizado, y crea el error de regulación. 2. Zona intermedia: Aplica un tipo de regulador diferente (PID) al error originado en la zona anterior, establece los valores de los parámetros de cada uno, lee la salida que corresponde a cada parámetro y, teniendo en cuenta la perturbación, origina la salida real del regulador. 3. Zona inferior: Utiliza la salida que origina el regulador manual o automáticamente, para establecer límites y preparar la salida definitiva como número real (%) y en
formato de periferia.
Tenemos una secuencia de parámetro que van cumpliendo con la regulación del proceso, primero se fija la consigna del bucle de regulación; se trata de un número real y, normalmente, de un porcentaje o incluso una magnitud física con sus debidos ajustes, otro parámetro que define el modo de lectura de la variable de proceso, otro que recibe la información que proporciona directamente un sensor, se normaliza los porcentajes de los valores proporcionados por el sensor para adaptar los valores proporcionados a un nuevo rango. Cuando se requiere una acción en la regulación del proceso, debemos contar un valor de ganancia proporcional al regulador que puede adquirir cualquier valor positivo o negativo, uno positivo denota una acción directa mientras que cuando se trate de una acción inversa, será uno negativo. 1. Acción directa: Es la acción que se realiza, por ejemplo, al controlar un caudal del agua que pasa por un tubo mediante la apertura o el cierre de una válvula. También al controlar la consigna de velocidad de una motobomba. Si sube el valor de la consigna para el control del caudal del agua, habrá que abrir más la válvula o subir la consigna de la velocidad de la motobomba. Por eso se denomina acción directa, porque cuando se quiere incrementar el valor del PV (lectura de la variable) del proceso, también incrementa la salida del regulador (existe relación directa). 2. Acción Inversa: Es la acción que se realiza, por ejemplo al controlar la presión de un gas en un depósito mediante la apertura o el cierre de una válvula colocada en la salida. Si se abre la válvula, la presión del depósito disminuye y, si se cierre, aumenta. Si el valor de la consigna del regulador para controlar la presión aumente, la válvula debe cerrarse. Por eso se denomina acción inversa, porque cuando se quiere incrementar el valor de PV (lectura de la variable) del proceso, la salida del regulador debe disminuir (existe una relación contraria o inversa).
Si la ganancia proporcional del regulador es cero, la salida del regulador es cero, independientemente de los valores TI (tiempo de la acción integral) y TD (tiempo de la acción derivativa).
Regulador digital PID
Los primeros reguladores digitales fueron realizados con ordenadores de proceso, actualmente se encuentran integrados, no solo en sistemas más complejos de mando y automatización, sino en la forma de ejecución de un regulador compacto. En su modo principal de funcionamiento, el regulador se comporta de un modo casi igual al de los controladores analógicos, con unas ventajas adicionales: flexibilidad, multiplicidad de funciones y exactitud. Clases de salidas: las señales de salida del regulador pueden ser ajustadas dando lugar a distintos tipos de reguladores. Los más importantes son:
Regulador de acción continua (regulador K): para accionamientos de ajuste neumático e hidráulico. Se denominan continuos porque el dispositivo de accionamiento al que se encuentra conectado el PID puede tomar todas las posiciones intermedias entre cerrado y abierto, actuando así de forma continua a la entrada del aparato de ajuste. Regulador de pasos: para accionamientos eléctricos. Posee un comportamiento de tres posiciones, (por ejemplo: calentar/enfriar/desconectar) que solo puede actuar sobre el circuito de regulación junto con un órgano de ajuste motorizado integral. La conexión con el sistema a controlar suele hacerse a través de tarjetas de relés sobre las que actúa el controlador. Se marcha a la posición deseada de acuerdo a una duración de impulso calculada cíclicamente. Regulador de dos o tres posiciones Con este nombre se conocen los reguladores discontinuos, cuya salida puede ser binaria (0/1 - conectar/desconectar) o ternaria (0/1/-1- calentar/enfriar/desconectar). En el regulador de dos posiciones la magnitud regulada mantiene una oscilación permanente. En el caso de un regulador digital estructurado así, la diferencia de regulación actual es elaborada internamente según el algoritmo PID a un valor de la magnitud de ajuste. A partir de ese valor de cálculo se obtiene la señal de ajuste binaria (0/1) o terciaria (0/1/-1) a dar como relación impulso/pausa con una duración del periodo ajustable. A diferencia del regulador de pasos, cuyos impulsos de ajuste desaparecen tras decaer la diferencia de regulación, en caso del regulador de dos o tres posiciones también en estado estacionario se dan impulsos de ajuste según el valor estacionario de la magnitud de ajuste calculada.
Controladores PID más modernos en la industria se implementan en controladores lógicos programables o como un controlador digital montado en el panel. Las implementaciones de software tienen las ventajas de que son relativamente baratos y son flexibles con respecto a la implementación del algoritmo PID.
