El controlador
o regulador constituye el elemento fundamental en un sistema de control, pues determina
el comportamiento del bucle, ya que condiciona la acción del elemento actuador
en función del error obtenido. La forma en que el regulador genera la señal de
control se denomina acción de control. Algunas de estas acciones se conocen
como acciones básicas de control, mientras que otras se pueden presentar como
combinaciones de las acciones básicas.
Acciones Básicas
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Combinación de acciones básicas
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Proporcional (P)
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Proporcional - Integrador (PI)
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Derivador (D)
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Proporcional - Derivador (PD)
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Integrador (I)
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Proporcional –
Integrador - Derivador (PID)
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Controlador de
acción Proporcional (P)
En este regulador la señal de accionamiento es
proporcional a la señal de error del sistema. Si la señal de error es grande,
el valor de la variable regulada es grande y si la señal de error del sistema
es pequeña, el valor de la variable regulada es pequeña.
Teóricamente, en este tipo de controlador, si la
señal de error es cero, la salida del controlador también será cero. La
repuesta, en teoría es instantánea, con lo cual el tiempo no interviene en el
control. Sin embargo, en la práctica, esto no es así, de forma que, si la
variación de la señal de entrada es muy rápida, el controlador no puede seguir
dicha variación y seguirá una trayectoria exponencial hasta alcanzar la salida
deseada.
Una propiedad importante del regulador P es que
como resultado de la rígida relación entre la señal de error del sistema y la
variable regulada siempre queda alguna señal de error del sistema. El
controlador P no puede compensar esta señal de error remanente (permanente) del
sistema (señal de OFFSET).
Un ejemplo de control proporcional es el siguiente:
Tenemos un controlador de nivel por flotador el
cual permitirá comprender el funcionamiento de dicho control.
Mediante la válvula de control V se consigue que el
caudal de entrada de agua al depósito sea igual al caudal de salida, a base de
mantener el nivel constante en el depósito. Con el tomillo A se fija el punto
de ajuste para el nivel deseado.
Si se produce un aumento del caudal de salida,
disminuye el nivel del depósito, entonces el flotador, a través de un brazo, actúa
sobre la válvula V, haciendo aumentar el caudal de entrada hasta que se iguale
al saliente. Cuando se haya alcanzado la igualdad de los caudales, el flotador
estará a un nivel más bajo que al principio, por lo que se produce un error permanente.
El regulador de acción
proporcional responde bien a las necesidades operativas, si el error que se
produce es tolerable.
Controlador de acción Integral (I)
En un controlador integral, la señal de salida del
mismo varía en función de la desviación y del tiempo en que se mantiene la
misma, o dicho de otra manera, el valor de la acción de control es proporcional
a la integral de la señal de error. Esto implica que mientras que en la señal proporcional
no influía el tiempo, sino que la salida únicamente variaba en función de las modificaciones
de la señal de error, en este tipo de control la acción varía según la
desviación de la salida y el tiempo durante el que esta desviación se mantiene.
El problema principal del controlador integral
radica en que la respuesta inicial es muy lenta, y hasta pasado un tiempo, el
controlador no empieza a ser efectivo. Sin embargo elimina el error remanente
que tenía el controlador proporcional.
Controlador de acción
proporcional e integral (PI)
En la práctica no existen controladores que tengan
sólo acción integral sino que llevan combinada una acción proporcional. Estas
dos acciones se complementan. La primera en actuar es la acción proporcional
(instantáneamente) mientras que la integral actúa durante un intervalo de
tiempo. Así y por medio de la acción integral se elimina la desviación
remanente (proporcional).
La respuesta del controlador PI es la suma de las
respuestas de un controlador proporcional y un controlador integral lo que
proporciona una respuesta instantánea al producirse la correspondiente señal de
error provocada por el control proporcional y un posterior control integral que
se encargará de extinguir totalmente la señal de error.
Siguiendo con el ejemplo anterior, en este caso la
válvula de regulación está accionada por un motor de c.c. que gira proporcionalmente
a la tensión aplicada, por lo que la separación del contacto deslizante q de la
posición del cero de tensión, determina apertura o cierre de la válvula con
velocidad proporcional a la separación que se produzca, es decir, a la variación
que experimenta el flotador del punto de ajuste y durante el tiempo que exista
la variación.
Si suponemos que el nivel desciende por un aumento
de consumo, el contacto deslizante q se desliza sobre el reóstato R, dando una
tensión al motor que hace abrir la válvula. Esta apertura continuará hasta que
el nivel no haya alcanzado el nivel prefijado y el motor reciba cero voltios.
Partiendo del regulador P, el regulador PI trata de
mejorar la respuesta en régimen permanente.
Controlador de acción proporcional y derivativa
(PD)
Esta acción, al igual que la
integral, no se emplea sola, sino que va unida a la acción proporcional (PD).
En este tipo de controladores,
debemos tener en cuenta que la derivada de una constante es cero y, por tanto,
en estos casos, el control derivativo no ejerce ningún efecto, siendo únicamente
útil en los casos en los que la señal de error varía en el tiempo de forma
continua.
Por tanto, el análisis de este controlador ante una
señal de error de tipo escalón no tiene sentido y, por ello, se ha representado
la salida del controlador en función de una señal de entrada en forma de rampa
unitaria.
La acción derivativa por sí sola no se utiliza,
puesto que para señales lentas, el error producido en la salida en régimen
permanente es muy grande y si la señal de mando deja de actuar durante un
tiempo largo la salida tenderá hacia cero y no se realizará entonces ningún
control.
Al incorporar a un controlador proporcional las
características de un controlador derivativo, se mejora sustancialmente la
velocidad de respuesta del sistema, a consta de una menor precisión en la
salida (durante el intervalo de tiempo en que el control derivativo esté funcionando).
Controlador de acción PID
Aprovecha las características de los tres
reguladores anteriores, de forma, que si la señal de error varía lentamente en
el tiempo, predomina la acción proporcional e integral y, si la señal de error
varía rápidamente, predomina la acción derivativa. Tiene la ventaja de tener
una respuesta más rápida y una inmediata compensación de la señal de error en
el caso de cambios o perturbaciones. Tiene como desventaja que el bucle de
regulación es más propenso a oscilar y los ajustes son más difíciles de
realizar.
Por ejemplo: en un sistema
de intercambio energético, en el cual se controla la temperatura del proceso. Para controlar la variable del proceso se incluye un
lazo retroalimentado con un controlador PID. El sistema propuesto toma como referencia un proceso
industrial de calentamiento de un producto dentro de un tanque, mediante el vapor que circula a
través de un tanque encamisado. Los componentes considerados en el esquema
propuesto, son: el tanque de almacenamiento
del producto, el tanque encamisado del vapor, el transmisor de temperatura del
producto, controlador PID y la válvula como elemento final de control.
Investigar:
1. ¿Qué criterio de
rendimiento se debe tomar para llevar a cabo la selección y la sintonía del
controlador?
2.
¿Qué tipo de controlador se debe seleccionar para el proceso a controlar?
3.
¿Cuáles son las tres características más importantes de un sistema de control?
4.
¿Qué es lógica borrosa y control borroso (Fuzzy Logic)?
5. La
clasificación de los sistemas de control de acuerdo al procedimiento lógico usado
por el controlador del sistema para regular la evolución del proceso (procesos
industriales) son los normales como los sistemas de retroalimentación (Feed-back):
proporcional, integral, derivativo y sus combinaciones. . ¿Cuáles otros
sistemas existen?
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