Fundamentos y Estrategias Avanzadas de Control PID en Sistemas Industriales

Capítulo 4: Modos de Control Fundamentales

Los Modos de Control son los métodos empleados para calcular la señal de control en función de la señal de error. Los modos más comunes incluyen: P, PI, PID*, I, PD, D, ID.

Modo Proporcional (P)

La señal de control depende del valor actual de la señal medida (Variable de Proceso - PV), sin considerar valores anteriores.

Características del Modo Proporcional

• Ventajas: Simplicidad, estabilidad, respuesta rápida.
• Desventajas: Produce error estacionario (Offset). Una ganancia (K) más alta reduce el error, pero incrementa las oscilaciones.

Modo Integral (I)

Modifica de forma automática el valor del bias del controlador. Si el error es positivo (+), la parte integral aumenta; si el error es negativo (-), la integral disminuye.

Impacto del Modo Integral

• Ventajas: Elimina errores estacionarios, ayuda a filtrar ruido.
• El parámetro $T_i$ (Tiempo Integral) determina la importancia de la acción de control integral. Una respuesta integral lenta implica un $T_i$ alto.

Modo Derivativo (D)

Hace que el sistema se anticipe al efecto de cambios de carga, reduciendo la desviación.

Ventajas y Desventajas del Modo Derivativo

• Ventajas: Anticipación, reduce el sobreimpulso, reduce el tiempo de establecimiento.
• Desventajas: Amplifica el ruido, produce cambios bruscos.
• El parámetro $T_d$ (Tiempo Derivativo) determina la velocidad de cambio de la variable medida.

Capítulo 5: Estrategias Avanzadas y Funciones Especiales

Modo Derivativo sobre la Medida (PV)

Un cambio brusco en el Set Point (SP) puede provocar problemas en el lazo de control. Para suavizarlo, se configura el modo derivativo para que dependa de la señal medida (PV) y no del error. Esto elimina el pico de la señal ante un cambio brusco en el SP.

Modo Proporcional sobre la Medida (PV)

Ante un cambio en el Set Point (SP), el valor elevado de la acción proporcional se reduce haciendo que dependa de la medida (PV) en lugar del error. Esto evita reacciones bruscas ante el cambio de SP.

Set Point en Rampa (SP Ramping)

Significa que el cambio del Set Point se realiza de forma gradual, evitando variaciones bruscas. Algunos controladores permiten la entrada del cambio de SP en forma de escalón, pero la variación interna se ejecuta en forma de rampa.

Controladores Interactivos y No Interactivos

En los controladores No Interactivos, no existe interacción entre los diferentes modos de control (P, I, D). En los Interactivos, un cambio en un modo afecta a los demás.

Filtro Interno

Es un filtro utilizado para atenuar el ruido. Se implementa comúnmente mediante redes RC, con amplificadores operacionales o mediante filtros digitales.

Bumpless Transfer (Transferencia sin Salto)

Es la estrategia que busca minimizar el salto en la señal de control al cambiar entre el modo manual y el modo automático, asegurando una transición suave.

Set Point Tracking (Seguimiento del SP)

Procedimiento clave para lograr una transferencia sin salto (Bumpless Transfer). En modo manual, el Set Point (SP) sigue al valor de la variable de proceso (PV), de modo que al pasar a automático, el error inicial es cero.

Reset Windup (Acumulación Integral)

Ocurre cuando el error es grande durante un tiempo prolongado, lo que causa la saturación del controlador debido a la acumulación excesiva de la acción integral. Existen técnicas para prevenirlo, como detener el modo integral en determinadas ocasiones.

Batch Switch

Otro método utilizado para evitar el Reset Windup. Fuerza el desplazamiento de la banda proporcional.

Unidades de Ingeniería (Ganancia K)

La ganancia K se define por la relación de unidades:

$$K = \frac{\text{Unidades de Ingeniería de la Señal de Control } (u(t))}{\text{Unidades de Ingeniería de la Variable Controlada } (PV)}$$