Sistemas de control: fundamentos, tipos y reguladores PID

Sistema de Control

Un sistema de control es un ente que recibe variables de entrada y produce una respuesta mediante variables de salida. Dentro de estos sistemas, distinguimos:

• Variables de Control: Aquellas que se manipulan para influir en la salida.
• Perturbaciones: Factores externos que no se controlan y surgen de forma imprevista, afectando el sistema.

Tipos de Sistemas de Control

Sistema de Lazo Abierto

En un sistema de lazo abierto, la acción de control es totalmente independiente de la salida. Las variables de control se ajustan a partir del comportamiento previsible del sistema.

¡Importante! Si hay una perturbación, el sistema de lazo abierto no puede contrarrestarla, ya que no hay retroalimentación de la salida.

Sistema de Lazo Cerrado (Realimentado)

Un sistema de lazo cerrado se diferencia porque incorpora un mecanismo de realimentación. Esto implica:

• Salida Deseada (Referencia): Es el valor que se fija externamente y representa la respuesta que se espera del sistema.
• Respuesta del Sistema: Es la salida real que se produce.
• Comparador: Un componente que emite una señal de error al comparar la salida deseada con la respuesta real. Esta señal se utiliza para modificar las variables de entrada cuando la variable de referencia y la respuesta se alejan del margen de error establecido.

¡Ventaja! La señal de salida tiene un efecto directo sobre la señal de control. Si se producen perturbaciones en el sistema que afectan la salida, la realimentación permite detectarlas y actuar para eliminarlas o minimizarlas, mejorando la precisión y estabilidad del control.

Reguladores de Control

Regulador de Acción Proporcional (P)

El regulador proporcional (P) es el más simple de los reguladores. Su funcionamiento consiste en amplificar la señal de error (la diferencia entre la salida deseada y la real) antes de aplicarla al proceso. Su comportamiento se describe a menudo mediante su Función de Transferencia.

Régimen Transitorio

Esta fase abarca desde el momento en que se da la orden de referencia hasta que el sistema responde y alcanza un valor estable. Este modo de respuesta del sistema se anula con el tiempo. Es crucial que la respuesta no sea ni excesivamente brusca ni demasiado lenta. El régimen transitorio proporciona información vital sobre la estabilidad y la rapidez de respuesta del sistema.

Régimen Permanente

En esta fase, el sistema debe mantener la respuesta alcanzada y solucionar cualquier problema residual. Sus variables se estabilizan y presentan un valor normal de funcionamiento. Durante el régimen permanente, se estudia el error entre la señal deseada y la realmente obtenida (conocido como offset o error de estado estacionario).

Funcionamiento del Regulador Proporcional

Para la evaluación de los sistemas de control en régimen transitorio, se debería analizar la función de transferencia total del sistema, teniendo en cuenta su orden.

Si la variación de la señal de entrada es muy rápida, el regulador proporcional podría no ser capaz de seguirla adecuadamente. Como consecuencia, la señal de salida seguirá una trayectoria exponencial hasta alcanzar el valor deseado, pero con un posible error permanente.

Consideraciones sobre la Ganancia Proporcional

1. Si la ganancia del regulador proporcional es demasiado elevada, esto provoca grandes cambios en el actuador frente a pequeñas desviaciones de la variable regulada, lo que puede llevar a oscilaciones o inestabilidad.
2. Si la ganancia es muy pequeña, la respuesta del controlador es insuficiente y no se logrará una regulación satisfactoria, resultando en un error de estado estacionario significativo.

Regulador PID (Proporcional-Integral-Derivativo)

El regulador PID es una combinación de tres acciones de control, cada una con un propósito específico:

• Acción Proporcional (P): Permite efectuar el control reduciendo las oscilaciones del régimen transitorio y proporcionando una respuesta rápida a los cambios.
• Acción Derivativa (D): Actúa rápidamente para gestionar los cambios que se producen en la magnitud controlada durante el régimen permanente, especialmente útil para contrarrestar perturbaciones externas y mejorar la estabilidad.
• Acción Integradora (I): Corrige automáticamente el offset (desviación permanente) y ajusta el valor de la variable controlada al punto de referencia, eliminando el error de estado estacionario.

Control Todo/Nada (On/Off)

El control todo/nada es el tipo de control más simple. El sistema controlado se activa o desactiva de forma rápida cuando la variable medida se aleja o alcanza, respectivamente, el punto de referencia. Es un control binario, sin estados intermedios.

Regulador PD (Proporcional-Derivativo)

El regulador PD mantiene el compromiso con el régimen permanente alcanzado por los reguladores proporcionales y, además, trata de mejorar el régimen transitorio, logrando que el sistema responda más rápido a los cambios.

Funcionamiento del Regulador PD

1. Sin un regulador PD, el sistema puede tardar más en alcanzar el punto de referencia o presentar oscilaciones.
2. Con un regulador PD, el sistema tarda menos en alcanzar el punto de referencia y mejora la respuesta dinámica.

Regulador PI (Proporcional-Integral)

El regulador PI introduce una acción integradora que permite mejorar exclusivamente el régimen permanente, eliminando el error de estado estacionario (offset). A diferencia del regulador P, el PI puede corregir este error sin modificar significativamente el régimen transitorio.