Controladores Industriales: Tipos, Funcionamiento y Métodos de Sintonización

Reguladores de Control: Tipos y Funcionamiento

Reguladores Todo o Nada (On-Off)

La salida del regulador solo tiene dos posibles valores: nivel bajo y alto. Por ello, la válvula estará o totalmente abierta o totalmente cerrada.

En un regulador con acción directa, la salida es alta si la medida es mayor que el punto de consigna, y estará en bajo en caso contrario. La salida es alta si el error es mayor que cero, y baja si es menor que cero.

Un regulador con acción inversa actúa de forma contraria al anterior.

Regulador Proporcional (P)

En un regulador proporcional, la salida que actúa sobre la válvula es proporcional a la señal de error. Es decir, responde a la ecuación:

Se denomina banda proporcional y expresa el porcentaje en que debe cambiar la medida alrededor del punto de consigna para que la salida del regulador abarque toda su gama de variación posible.

Implementación del Regulador Proporcional

Pueden ser electrónicos o neumáticos.

Regulador con Acción Integral (I)

La salida que actúa sobre la válvula es proporcional a la integral en el tiempo de la señal de error.

La salida del regulador varía a una velocidad proporcional al error. Es decir, si el error es pequeño, la válvula se mueve lentamente, abriéndose o cerrándose según sea positivo o negativo el error.

Regulador Proporcional-Integral (PI)

Generalmente, la acción integral aislada no se utiliza. Se emplea conjuntamente con la acción proporcional, resultando el regulador PI.

Podemos considerar que la acción integral equivale a un reajuste automático del offset.

El tiempo Tr es el tiempo que debe transcurrir para que la salida del regulador, por efecto de la acción integral, se iguale a la salida por efecto de la acción proporcional.

Regulador con Acción Derivativa (D)

En un regulador con acción derivativa, la salida del mismo es proporcional a la derivada con respecto al tiempo de la señal de error.

A Td se le denomina tiempo derivativo, y cuanto mayor sea, más efecto tendrá la acción derivativa.

La expresión nos indica que la salida por efecto derivativo no depende del valor absoluto del error, sino de la velocidad de cambio del mismo. La acción derivativa tiene un efecto anticapacitivo, es decir, tiende a corregir el error en el momento en que se detecta que este tiende a cambiar.

Regulador Proporcional-Derivativo (PD)

Regulador Proporcional-Integral-Derivativo (PID)

Un regulador que combina las tres acciones descritas responde a la ecuación:

La acción derivativa no debe utilizarse en procesos en los que la señal de medida tenga ruido, ya que este ruido no es más que un cambio rápido en dicha señal que será detectado y amplificado por el elemento derivador. La acción derivativa debe emplearse en procesos lentos en los que haya variaciones de carga, con el objetivo de que la medida se recupere más rápidamente.

Ajuste Manual del Regulador PID

Para ajustar manualmente un regulador PID, se pueden utilizar los siguientes métodos:

• Método 1:
• Poner Ta al mínimo y ajustar el regulador como si fuera un PI.
• Ir aumentando Ta y observando la respuesta. Si vemos que va mejorando, seguimos aumentando Ta hasta que no sea así. Si la respuesta empeora, se elimina la acción derivativa.
• Si se ha mantenido la acción derivativa, se debe intentar reducir BP y Tr.

• Método 2:
• Ajustar Tr y BP al máximo y Ta al mínimo.
• Disminuir BP hasta que el sistema empiece a oscilar. Aumentar Ta hasta que desaparezcan los ciclos. Volver a reducir BP hasta que de nuevo vuelva a ciclar y, seguidamente, aumentar Ta para que desaparezcan los mismos. Seguir de esta forma hasta que un aumento de Ta no haga desaparecer las oscilaciones. Llegados a este punto, aumentar BP y disminuir Ta un paso de su escala.
• Reducir Tr hasta que sea un paso mayor que Ta.

Sintonización de Controladores Industriales

El objetivo es que, ante una perturbación, se obtenga una curva de variación de la medida que se recupere rápidamente y que no produzca demasiadas oscilaciones. Cabe destacar dos procedimientos desarrollados por Ziegler y Nichols:

Métodos de Ziegler y Nichols

Método de Ganancia Límite

Consiste en ir disminuyendo la banda proporcional del regulador, una vez anuladas las acciones integral y derivativa, mientras se producen cambios en la consigna. Llegará un momento en que el proceso empiece a oscilar de forma continua.

Método de Curva de Reacción

Consiste en abrir el lazo de control, colocando el regulador en modo manual y aplicando un cambio escalón directamente a la válvula.