Sistemas de Control Industrial: Controladores PID y Amplificadores Operacionales

Definición de Controlador Industrial

Instrumento diseñado para detectar y corregir los errores producidos al comparar y computar el valor de referencia o set point con el valor medido del parámetro más importante a controlar en el proceso.

Clasificación de Controladores Industriales

De acuerdo con sus acciones de control, los controladores industriales se clasifican en:

• De dos posiciones o de encendido y apagado (On/Off)
• Proporcionales (P)
• Integrales (I)
• Proporcionales-Integrales (PI)
• Proporcionales-Derivativos (PD)
• Proporcionales-Integrales-Derivativos (PID)

Controladores Proporcionales (P)

La señal de accionamiento es proporcional a la señal de error del sistema. La señal de error es la que se obtiene en la salida del comparador entre la señal de referencia y la señal de realimentación. Presentan una respuesta con cierto error remanente, incapaces de compensar completamente.

Controladores Integrales (I)

En estos controladores, el valor de la acción de control es proporcional a la integral de la señal de error. Por lo tanto, en este tipo de control, la acción varía en función de la desviación de la salida y del tiempo en el que se mantiene esta desviación. Inconveniente: la respuesta inicial es muy lenta.

Controladores Proporcionales-Integrales (PI)

No existen controladores que actúen únicamente con acción integral; siempre lo hacen en combinación con reguladores de acción proporcional. Primero entra en acción el regulador P, que es instantáneo, mientras que el integral actúa pasado un tiempo. La respuesta de un PI es la suma de las respuestas P + I.

Controladores Proporcionales-Derivativos (PD)

El controlador derivativo se opone a desviaciones de la señal de entrada, con una respuesta que es proporcional a la rapidez con que se producen estas. Si la entrada es constante, el regulador D no actúa. Cuando las modificaciones son instantáneas, la velocidad de variación es muy elevada.

Controladores Proporcionales-Integrales-Derivativos (PID)

Es un sistema de regulación que trata de aprovechar las ventajas de cada uno de los controladores de acciones básicas. Si la señal varía lentamente, actúa el PI. Si la señal de error varía rápidamente, actúa el PD.

• Ventaja: Respuesta rápida y compensación de error inmediata en el caso de perturbaciones.
• Desventaja: Muy propenso a oscilar y con ajustes difíciles.

Definición de Amplificador Operacional (AO)

Dispositivo que realiza operaciones matemáticas (suma, resta, división, multiplicación, lógicas, comparadores) de manera analógica. También realiza funciones como filtros, amplificadores, osciladores, conversores, adaptadores de impedancia, etc.

Tipos de Amplificadores Operacionales

• Amplificador Sumador
• Amplificador Inversor
• Amplificador No Inversor
• Amplificador Divisor
• Amplificador Diferencial
• Amplificador Integrador
• Amplificador Derivador
• Amplificador Comparador

Características del Amplificador Operacional Ideal

• Impedancia de entrada (Zi) infinita.
• Ganancia en bucle abierto (Avo) infinita para la entrada diferencial.
• Ganancia nula para la señal en modo común.
• Impedancia de salida (Zo) nula.
• Ancho de banda (WD) infinito.
• Ausencia de desviación de características con la temperatura.

Características del Amplificador Operacional Real (u741)

• Zi = 100 MΩ
• Avo = 100,000
• Zo = 40 Ω
• WD = [1 Hz, 1 MHz]

Realimentación en Sistemas de Control

Consiste en conectar o inyectar una señal de la salida con alguna de las entradas. Es decir, una muestra de tensión o corriente en algún punto de la salida que se lleva a la entrada.

Realimentación Positiva

Se produce cuando la realimentación se hace a la entrada no inversora. Genera circuitos inestables, donde rápidamente la salida se satura a los valores máximos o mínimos (tensiones de alimentación).

Realimentación Negativa

Se produce cuando la realimentación se hace a la entrada inversora. La ganancia se reduce respecto al valor en lazo abierto y el circuito es más estable.