Métodos de sintonía de controladores PID: prueba y error, Ziegler-Nichols y curva de reacción

Resumen

El documento describe varios procedimientos para ajustar los parámetros Kp, Ti y Td de un controlador PID. Se explican el método de prueba y error, el método de Ziegler-Nichols en lazo cerrado y los métodos basados en la respuesta a un escalón en lazo abierto y en lazo cerrado. El estudiante aprenderá los pasos prácticos de cada técnica y el orden del ajuste fino.

Puntos clave

La sintonía por prueba y error consiste en ajustar Kp, Ti y Td observando la respuesta a un cambio de consigna.
Antes de sintonizar se pone el controlador en manual, se elimina la acción integral (Ti = ∞) y la derivativa (Td = 0), y se empieza con Kp = 1.
En Ziegler-Nichols en lazo cerrado se aumenta Kp hasta obtener oscilaciones mantenidas; ese valor se llama Kpu y se mide el periodo de oscilación Tv.
En el método de la curva de reacción en lazo abierto se introduce un escalón en la señal de control y, de la curva en forma de S, se obtienen K, T y L.
En el método en lazo cerrado por escalón se obtienen primero Kyr, Tc y Lc, y a partir de ellos se calculan K, T y L para aplicar las reglas de sintonía en lazo abierto.
En todos los métodos el paso final es un ajuste fino, con ensayos de seguimiento y de regulación.

Ponte a prueba

Sintonía Prueba y Error

Requiere que el usuario observe la respuesta a un cambio de consigna o de carga y decida qué parámetros cambiar.

1.Poner controlador en modo Manual llevar proceso al punto de operación 2.Eliminar parte integral → Ti = ∞ 3.Eliminar parte derivativa → Td = 0 4.Comenzar con un valor bajo de Kp → Kp = 1 5.Controlador modo Automático
Introducir un escalón en el SP 6.Aumentar Kp hasta observar unas ligeras oscilaciones 7.Incrementar la acción integral (↓Ti) hasta: e(t)=0; Ti=0.67T 8.Disminuir Kp para que disminuyan las oscilaciones 9.Incrementar Td 10.Ajuste fino

Zigler-Nichols (lazo cerrado)

1.Poner controlador en modo Manual llevar el proceso al punto de operación 2.Reducir al mínimo la acción integral → Ti = ∞ 3.Eliminar la acción derivativa → Td = 0 4.Ajustar Kp a un valor pequeño → Kp = 1 5.Controlador modo Automático Introducir un escalón en el set point 6.Se aumenta el valor de Kp hasta observar en la salida oscilaciones mantenidas (con gráfico de oscilaciones mantenidas) 7.El valor de Kp que provoca las oscilaciones se llama Kpu Midiendo el periodo de las oscilaciones → Tv 8.Aplicando reglas de sintonía se obtiene Kp, Ti, Td 9.Ajuste fino. Realizamos ensayos en seguimiento y regulación

Step Open loop (lazo abierto) Método de autosintonia

1.Poner controlador en modo Manual llevar el proceso al punto de operación 2.Introducir un escalón en la señal de control 3.En la mayoría de los procesos autorregulados, la curva de respuesta es en forma de “S” 4.A partir de esta curva, obtenemos K, T, L 5.Aplicando reglas de sintonía en lazo abierto, obtenemos Kp, Ti, Td 6.Ajuste fino. Realizamos ensayos en seguimiento y regulación

Step Closed loop (lazo cerrado)

1.Poner controlador en modo Manual llevar el proceso al punto de operación 2.Eliminar parte integral Tᵢ = ∞ 3.Eliminar parte derivativa T𝒹 = 0 4.Comenzar con valor bajo de Kₚ → Kₚ = 1 5.Poner controlador en Automático, introducir escalón en el Setpoint 6.Repetir el proceso aumentando Kₚ hasta observar en la salida una curva en forma de “s” 7.A partir de la curva obtenemos Kyr, T𝑐, L𝑐 8.Con los parámetros de lazo cerrado obtenemos K, T, L 9.Aplicando reglas de sintonía en lazo abierto obtenemos Kₚ, Tᵢ, T𝒹 10.Ajuste fino: Realizamos ensayos en seguimiento y regulación

Preguntas frecuentes

¿Qué es el método de Ziegler-Nichols en lazo cerrado?

Consiste en aumentar Kp hasta que la salida presenta oscilaciones mantenidas. El valor de Kp que las provoca es Kpu y se mide el periodo de oscilación Tv, a partir de los cuales se aplican reglas de sintonía para obtener Kp, Ti y Td.

¿Cómo se empieza la sintonía de un controlador PID por prueba y error?

Se pone el controlador en manual llevando el proceso al punto de operación, se eliminan las acciones integral y derivativa y se comienza con Kp = 1. Después se pasa a automático e introduce un escalón en el set point.