Optimización y Desafíos del Control PID en Sistemas Industriales

El control PID (Proporcional-Integral-Derivativo) es una estrategia fundamental en la automatización industrial. Comprender su ajuste y sus limitaciones es crucial para maximizar el rendimiento de los sistemas.

Ajuste Manual de Controladores PID para Sistemas en Línea

Si un sistema debe mantenerse online (en línea) y no puede detenerse para un ajuste automático, un método de ajuste manual consiste en seguir estos pasos:

1. Establezca los valores de los parámetros I (Integral) y D (Derivativo) a cero.
2. Incremente el valor de P (Proporcional) gradualmente hasta que la salida del lazo comience a oscilar de manera sostenida.
3. Reduzca el valor de P a aproximadamente la mitad del valor configurado en el paso anterior.
4. Incremente el valor de I hasta que el proceso se ajuste en el tiempo requerido. Es importante tener en cuenta que un valor de I excesivamente alto puede causar inestabilidad en el sistema.
5. Finalmente, incremente el valor de D, si es necesario, hasta que el lazo sea lo suficientemente rápido para alcanzar su setpoint (punto de consigna) tras una variación brusca de la carga.

Un lazo de control PID muy rápido alcanza su setpoint de manera veloz. Sin embargo, algunos sistemas no son capaces de aceptar este disparo brusco; en estos casos, se requiere otro lazo con un valor de P menor a la mitad del P del sistema de control anterior para evitar sobreimpulsos excesivos.

Limitaciones y Mejoras del Control PID

Aunque los controladores PID son aplicables a la mayoría de los problemas de control, pueden presentar un desempeño deficiente en ciertas aplicaciones. Los controladores PID, cuando se usan solos, pueden ofrecer un rendimiento pobre si la ganancia del lazo debe ser reducida para evitar que el sistema se dispare u oscile sobre el valor del setpoint.

El desempeño del sistema de control puede ser significativamente mejorado combinando el lazo cerrado de un control PID con un lazo abierto, conocido como control prealimentado o feedforward. Conocer las características del sistema (como la aceleración necesaria o la inercia) puede ser de acción anticipada y combinado con la salida del PID para aumentar el desempeño final del sistema.

El valor del control prealimentado (o feedforward) puede proveer la mayor porción de la salida del controlador. El controlador PID, por su parte, se utiliza principalmente para responder a cualquier diferencia o "error" que quede entre el setpoint y el valor actual del proceso. Dado que la salida del lazo de feedforward no se ve afectada por la realimentación del proceso, nunca puede causar que el sistema oscile, lo que contribuye a aumentar el desempeño, la respuesta y la estabilidad del sistema.

Ejemplo de Aplicación: Control de Movimiento

Por ejemplo, en la mayoría de los sistemas de control con movimiento, para acelerar una carga mecánica, se necesita más fuerza (o torque) para el motor. Si se usa un lazo PID para controlar la velocidad de la carga y manejar la fuerza o torque necesaria para el motor, puede ser útil tomar el valor de la aceleración instantánea deseada para la carga y agregarlo a la salida del controlador PID. Esto significa que, sin importar si la carga está siendo acelerada o desacelerada, una cantidad proporcional de fuerza está siendo manejada por el motor, además del valor de realimentación del PID. El lazo del PID en esta situación usa la información de la realimentación para incrementar o decrementar la diferencia entre el setpoint y el valor actual.