¿Qué es un controlador PID?

¿Te has preguntado alguna vez qué es un controlador PID y cómo funciona? En la automatización industrial, los controladores PID son una herramienta esencial para el control de procesos. En este artículo te explicaremos de manera sencilla qué es un controlador PID y cómo se utiliza en la industria. ¡No te lo pierdas!

Como probablemente sepa, los controladores pid son componentes importantes en muchos sistemas electrónicos. De hecho, son tan omnipresentes que es posible que ni siquiera se dé cuenta de que está usando uno ahora mismo mientras lee esta misma oración. Si los controladores pid le interesan y desea saber más sobre cómo funcionan, siga leyendo para obtener una introducción rápida.

Contenido

¿Qué es un controlador PID?

Un controlador PID (proporcional-integral-derivativo) es un tipo de sistema de control utilizado en muchas aplicaciones industriales y comerciales. Desarrollado para medir, monitorear y administrar procesos con precisión con retroalimentación precisa mediante el cálculo de la discrepancia entre el resultado esperado y el resultado real.

Un ejemplo de una aplicación en la que se utilizan controladores PID son los sistemas de regulación de temperatura, especialmente para procesos de fabricación que utilizan líquidos o gases calientes.

El propósito de un controlador PID es ajustar los parámetros del proceso, como la temperatura, la presión, la velocidad u otras variables automáticamente para mantenerlos en el punto de referencia deseado o en los valores objetivo.

El controlador logra esta hazaña uniendo tres cálculos distintos: control proporcional, control integral y control derivativo.

control proporcional mide qué tan lejos está el valor del proceso actual del punto de ajuste deseado. Lo hace multiplicando el error (la diferencia entre el objetivo y la medición real) con una ganancia o coeficiente proporcional. El resultado de este cálculo se ajustará para que el proceso regrese a su punto de referencia objetivo.

control integral mide cuánto tiempo ha persistido un error sumando todos los errores pasados ​​a lo largo del tiempo y luego multiplicándolo por una ganancia integral o coeficiente. Esto ayuda a acercar las variables del proceso al punto de ajuste deseado, incluso si inicialmente hay una gran discrepancia entre ellas.

control derivado mide la rapidez con la que cambia un error con el tiempo calculando su tasa de cambio, multiplicada por una ganancia derivada o coeficiente. Esto agrega estabilidad a un sistema y ayuda a reducir el exceso y las oscilaciones.

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En general, un controlador PID es una herramienta esencial para mantener operaciones complejas funcionando de manera eficiente mediante el ajuste automático de las variables del sistema para mantener los puntos de ajuste deseados. Al combinar los tres cálculos (control proporcional, control integral y control derivado), puede medir, monitorear y administrar con precisión los procesos con retroalimentación para que permanezcan en sus valores objetivo. Como tal, es una opción popular y confiable para aplicaciones industriales y comerciales. [1]

Diagrama de bloques del controlador PID

El diagrama de bloques del controlador PID es una representación esquemática de los diferentes componentes que forman un Controlador PID (Proporcional-Integral-Derivativo). Muestra cómo estos componentes están conectados entre sí y cómo interactúan con el proceso que se controla.

El propósito de este diagrama es proporcionar una comprensión de cómo funciona un controlador PID, su estructura y sus características.

En general, un controlador PID típico consta de tres partes principales: el término proporcional (P), el término integral (I) y el término derivado (D). Cada parte juega un papel importante en el control de las variables del proceso, como la temperatura, la presión, el nivel o el caudal.

El componente P es generalmente responsable de la mayor parte de la respuesta inicial a un cambio en la variable del proceso, mientras que los componentes I y D proporcionan ajustes más sutiles. El término proporcional regula la ganancia proporcional, o cuánto se debe aumentar o disminuir la salida cuando se detecta una cierta cantidad de error en comparación con el punto de ajuste deseado.

El término Integral tiene en cuenta cualquier error de compensación que pueda estar presente debido a cambios en las condiciones ambientales. Lo hace acumulando constantemente errores con el tiempo hasta que finalmente alcanza su valor máximo y luego comienza a disminuir nuevamente.

Finalmente, el término derivado mide la tasa de cambio de error con respecto al tiempo y actúa como un elemento anticipatorio en los lazos de control PID al predecir el comportamiento futuro de los lazos a partir de datos pasados. Ayuda a reducir el sobreimpulso debido al término proporcional y permite tiempos de respuesta más rápidos cuando hay cambios rápidos en la variable del proceso.

El diagrama de bloques del controlador PID es una herramienta útil para comprender cómo estos componentes funcionan juntos para controlar varios procesos. Se puede utilizar como referencia al diseñar o ajustar un controlador PID para diferentes aplicaciones. Al comprender el diagrama de bloques, los ingenieros estarán mejor equipados para crear sistemas de control efectivos que brinden los resultados de rendimiento deseados. [2]

¿Qué es un controlador PID?

Funcionamiento del controlador PID

Un controlador PID funciona sobre la base de un circuito de retroalimentación. Toma una señal de error y utiliza este valor para calcular la acción correctiva necesaria. Esto se hace comparando la salida actual con el punto de ajuste deseado, lo que da una indicación de cuánto necesita ajustarse el sistema. Luego, el controlador calcula una salida requerida restando la salida actual del punto de ajuste y sumándola a las entradas anteriores. Esto se conoce como algoritmo Integral Proporcional Derivativo (IPD) o simplemente control PID.

La ganancia proporcional determina qué tan rápido puede responder un sistema a un cambio repentino en la entrada o desviación de la salida deseada. La ganancia integral ayuda a reducir los errores de estado estable causados ​​por perturbaciones externas, como la fricción, el viento o las variaciones de temperatura. La ganancia derivada predice la tasa de cambio en la salida y se utiliza para minimizar el sobreimpulso y el subimpulso.

En esencia, los controladores PID usan señales de retroalimentación del sistema que están controlando para ajustar continuamente sus parámetros y garantizar un control preciso sobre el proceso. Esto los hace extremadamente versátiles y confiables para una variedad de aplicaciones, como la regulación de temperatura, presión, flujo, velocidad, posición e incluso par. [3]

Tipos de controlador PID

Control Proporcional

El control proporcional es el tipo más básico de controlador PID. Utiliza una ganancia proporcional para ajustar la salida en función de la diferencia entre el punto de referencia y la variable de proceso (error). Esto evita grandes sobreimpulsos y se establece rápidamente en el punto de ajuste.

Controlador PID de tipo estándar

Es un sistema de control de circuito cerrado comúnmente utilizado en la industria. El término significa Proporcional, Integral y Derivado, que son tres funciones matemáticas separadas que interactúan entre sí para acercar las señales de entrada a las señales de salida deseadas.

Controladores PID en tiempo real

Estos están diseñados para ayudar a controlar la temperatura, la presión, la velocidad y otras variables en industrias como la fabricación y el control de procesos. Comparan el valor medido actual con su punto de ajuste deseado. cualquier variación entre ambos se corrige con un factor de corrección o señal de salida.

Métodos de afinación

Los controladores PID utilizan uno de varios métodos de ajuste para encontrar la configuración óptima para el rendimiento del lazo de control. Los métodos populares incluyen la sintonización manual, el método de bucle abierto de Ziegler-Nichols y el método de bucle cerrado de Cohen-Coon.

La sintonización manual es la opción más básica y permite al usuario ajustar parámetros como Ganancia Proporcional (Kp), Ganancia Integral (Ki) y Ganancia Derivativa (Kd) hasta obtener los resultados deseados.

El método de bucle abierto de Ziegler-Nichols utiliza datos de prueba de proceso, preferiblemente una prueba de respuesta escalonada – para determinar configuraciones que proporcionen una operación estable al 90% del rendimiento máximo mientras se minimiza el sobreimpulso.

Por último, el método de circuito cerrado de Cohen-Coon Implica adaptar la configuración del controlador en respuesta a los cambios en las condiciones del proceso. Este método proporciona un cálculo más preciso de la configuración ideal, lo que permite al usuario beneficiarse del control de bucle cerrado incluso en circunstancias cambiantes. Una vez sintonizado, un controlador PID proporcionará una regulación óptima de la variable del proceso con un mínimo esfuerzo y gasto de tiempo por parte del usuario.

Para los usuarios que no desean perder tiempo sintonizando y ajustando las configuraciones manualmente, existen controladores PID “plug-and-play” disponibles que ofrecen configuraciones preprogramadas y capacidades de sintonización automática. Estos se pueden conectar rápida y fácilmente a la mayoría de los sistemas y brindan una solución rentable para aquellos que buscan un desempeño regulatorio mejorado sin tener que hacer ningún trabajo adicional.

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Estructura del controlador PID

La estructura de un controlador PID consta de tres componentes: Proporcional (P), Integral (I) y Derivada (D).

Cada componente tiene su propio conjunto único de características, así como ganancias individuales para ajustar el comportamiento del controlador.

El componente P – Esta es la parte más básica del controlador y es responsable de emitir una señal que es proporcional al error actual. Cuanto mayor sea el error, más salida se enviará desde el controlador. En otras palabras, si la variable del proceso se desvía del punto de ajuste, entonces este componente aumentará o disminuirá su salida para volver a ponerla en línea.

El componente I – Este componente registra los errores a lo largo del tiempo resumiéndolos y luego ajusta la salida en consecuencia. Esto puede ser útil para procesos con dinámicas lentas, como sistemas de control de temperatura o regulación de velocidad del motor, ya que asegura una transición suave al punto de ajuste deseado.

El componente D – Esta es la parte más compleja del controlador y se usa para medir qué tan rápido cambia la variable del proceso. Tiene en cuenta dos mediciones en diferentes puntos en el tiempo y luego calcula la tasa de cambio entre ellas. Esto permite que el controlador PID anticipe errores futuros y realice ajustes antes de que sucedan para mantener una alta precisión.

En general, un controlador PID se puede sintonizar ajustando cada uno de sus componentes (P, I y D) de acuerdo con sus requisitos o necesidades específicas. Por ejemplo, si la variable del proceso oscila alrededor del punto de ajuste, entonces podría intentar reducir la ganancia proporcional o aumentar la ganancia derivada.

Aplicaciones

Control de temperatura del horno

Varios procesos industriales, como el control de temperatura de los hornos, involucran una variedad de temperaturas en diferentes etapas. Un controlador PID puede ayudar a mantener la temperatura de cada etapa utilizando la retroalimentación de sus sensores.

Control de posición en sistemas motores

El sistema de control de posición relacionado con los sistemas de motor también suele regularse con un controlador PID que utiliza retroalimentación para garantizar la exactitud y la precisión. Mide parámetros como la velocidad, la aceleración y la posición y luego los ajusta en consecuencia.

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Una aplicación común de los controladores PID son los sistemas de control de flujo que se utilizan en redes de distribución de agua o en muchas otras aplicaciones en las que es necesario regular con precisión el flujo de fluidos. El sistema envía pulsos proporcionales a un error detectado, lo que le permite ajustar el caudal si es necesario, lo que da como resultado un control más preciso del sistema.

Control de vibraciones

Las vibraciones producidas por la maquinaria industrial a menudo pueden ser peligrosas y deben controlarse cuidadosamente para garantizar la seguridad. Se puede usar un controlador PID para regular los niveles de vibración, lo que le permite ajustarse automáticamente en respuesta a cambios en el entorno o cualquier fluctuación en el sistema mismo. [5]

Controlador de carga MPPT para sistemas solares

La mayoría de los inversores solares y los controladores de carga están equipados con un controlador PID, que se utiliza para ajustar la corriente de salida de acuerdo con los cambios en el entorno. Esto asegura que el sistema funcione siempre con su eficiencia óptima, lo que le permite utilizar la mayor cantidad posible de energía del sol.

También se puede utilizar en sistemas de control de crucero para vehículos y otros sistemas automatizados. El controlador PID ajusta constantemente la velocidad del vehículo en función de los comentarios de los sensores, como la velocidad de las ruedas o la aceleración. También se puede usar en controladores de brazos robóticos donde se deben realizar movimientos precisos para realizar una tarea de manera eficiente. Todas estas aplicaciones requieren un control preciso sobre una serie de variables, lo que las convierte en candidatas ideales para los controladores PID.

En resumen, los controladores PID son una parte importante de muchos sistemas automatizados y tienen una variedad de aplicaciones en los campos industrial, automotriz y robótico. La versatilidad y eficacia de los controladores PID los convierte en uno de los sistemas de control más populares utilizados en la actualidad. Son fáciles de implementar, rentables y altamente confiables, lo que los convierte en una opción atractiva para una amplia gama de aplicaciones. Con la configuración correcta, pueden proporcionar un control preciso sobre cualquier sistema que requiera retroalimentación de los sensores.

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Los controladores PID a menudo se interconectan con otros sistemas o elementos para proporcionar control. Esto normalmente se hace a través de una señal de entrada/salida de voltaje o corriente analógica, pero también se puede hacer con interfaces digitales como USB, RS232 y redes de bus CAN. La interfaz de un controlador PID requiere que el usuario comprenda tanto el sistema que se está controlando como el tipo de controlador PID utilizado. Un controlador PID puede necesitar componentes adicionales para una interfaz exitosa, como filtros o dispositivos de amortiguación para estabilizar las señales.

Es importante que todas las conexiones se realicen y cableen correctamente de acuerdo con las especificaciones del fabricante. Una vez que el sistema está conectado correctamente, se puede ajustar utilizando parámetros PID como ganancia, tiempo integral, tiempo derivado, tiempo de muestra y precisión de seguimiento del punto de referencia. La puesta a punto del sistema es fundamental para un funcionamiento adecuado y una respuesta óptima del controlador PID. Un controlador PID bien ajustado puede ayudar a reducir o eliminar los errores de sobreimpulso, subimpulso, oscilación y estado estacionario en el lazo de control.

En general, comprender cómo interconectar un controlador PID es una parte importante del control de sistemas o procesos complejos. Requiere una comprensión tanto del sistema que se está controlando como de los componentes de hardware y software necesarios para una implementación exitosa. Con una planificación, ajuste y supervisión cuidadosos, se puede utilizar un controlador PID con la interfaz adecuada para proporcionar un control preciso y fiable de varios tipos de sistemas. [6]

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Un controlador PID digital es un tipo de sistema de control electrónico utilizado para regular la temperatura, la presión y otras variables de proceso en aplicaciones industriales.

Funciona calculando continuamente la diferencia entre una variable de proceso medida y un punto de ajuste deseado. Luego, el controlador ajusta la salida del dispositivo controlado (la “planta”) hasta que los dos coincidan. Los controladores PID digitales a menudo se usan en sistemas de retroalimentación de circuito cerrado donde una acción afecta el rendimiento futuro, lo que los hace ideales para procesos que deben mantenerse dentro de parámetros estrictos.

Los controladores PID digitales ofrecen muchas ventajas sobre los diseños analógicos, incluida una mayor precisión, tiempos de respuesta más rápidos y una mayor flexibilidad con capacidades de programación como la optimización del tiempo de reinicio, las funciones de autoajuste y las funciones integradas de filtrado de señales/reducción de ruido. También tienen un diseño físico más confiable, duran más y requieren menos mantenimiento. Los controladores PID digitales también se usan a menudo en combinación con otros sistemas de control, como los controladores lógicos programables (PLC), lo que permite monitorear y ajustar múltiples variables de proceso simultáneamente.

En general, los controladores PID digitales ofrecen una solución altamente eficiente y rentable para diversas aplicaciones industriales que requieren un control de precisión de las salidas de las variables del proceso. Con su mayor flexibilidad, precisión, velocidad y confiabilidad, los controladores PID digitales se han convertido en la opción preferida para muchos procesos industriales modernos.

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¿Para qué se utiliza un controlador PID?

Un controlador PID es un algoritmo de control comúnmente utilizado en procesos industriales y mecánicos para regular temperatura, presión, posición, velocidad y otras variables de proceso. Recibe su nombre de sus tres términos proporcionales-integrales-derivados que representan la respuesta colectiva del sistema. Un controlador PID calcula continuamente un valor de error como la diferencia entre un punto de referencia deseado (SP) y una variable de proceso medida (PV) y aplica una corrección basada en términos proporcionales, integrales y derivados (denotados P, I y D respectivamente), por lo tanto el nombre. La salida del controlador PID se puede utilizar para ajustar varios parámetros del proceso, como elementos de calefacción o refrigeración o motores para posicionamiento o control de velocidad. Esto ayuda a garantizar un funcionamiento preciso y estable a lo largo del tiempo. El uso de un controlador PID puede ser beneficioso en aplicaciones como el control de la temperatura dentro de un horno, la presión de un sistema de gas o líquido, la velocidad de un motor y otros procesos similares. Además, los controladores PID se pueden utilizar para minimizar las perturbaciones y optimizar el rendimiento de los sistemas de control más complejos.

¿Qué es un ejemplo de controlador PID?

Un ejemplo de controlador PID es un intercambiador de calor donde la salida del sistema necesita ser monitoreada y regulada. En este caso, un sensor de temperatura monitorea la salida del intercambiador de calor y envía señales al controlador que, a su vez, reduce o aumenta la tasa de flujo a través del intercambiador de calor según sea necesario para mantener el nivel de temperatura deseado. Este proceso ayuda a mantener las condiciones óptimas para un funcionamiento eficiente y evita cualquier daño por sobrecalentamiento o congelamiento. Otros ejemplos de controladores PID incluyen sistemas de calentamiento de agua, hornos industriales, acondicionadores de aire, brazos robóticos y motores de aviones. Estos controladores han revolucionado los procesos de automatización en varias industrias debido a su capacidad para proporcionar un control de alta precisión sobre muchos parámetros diferentes con un mínimo esfuerzo.

¿Qué es un controlador PID en un PLC?

Un controlador PID en un PLC es una forma avanzada de control que proporciona un control preciso sobre la variable del proceso, como la temperatura o la presión.

PID significa Proporcional-Integral-Derivativo y describe un algoritmo básico donde la salida del controlador se basa en tres componentes; Proporcional, Integral y Derivada. El componente proporcional da una respuesta instantánea a los cambios en la señal de entrada que ayuda a reducir las oscilaciones alrededor del punto de referencia. El componente integral ajusta la salida hasta que coincida con el punto de referencia y el componente derivado ayuda a eliminar cualquier retraso entre un cambio en la señal de entrada y la respuesta del sistema. Los tres componentes son ajustables según las necesidades del usuario.

¿Cuáles son los 3 componentes principales de un controlador PID?

Un controlador PID se compone de tres componentes principales: el componente Proporcional (P), el componente Integral (I) y el componente Derivativo (D). El componente Proporcional mide y responde al valor de error actual; el componente Integral ayuda a corregir errores a largo plazo acumulándolos en el tiempo; y el componente Derivado se ajusta rápidamente en respuesta a los cambios en la tasa de error. Juntos, estos tres componentes trabajan juntos para lograr un control preciso de un proceso o sistema. Los valores de cada uno de estos componentes se ajustan hasta lograr un rendimiento óptimo. Por ejemplo, un aumento en el coeficiente P hará que el sistema responda mejor, pero también puede causar inestabilidad si se establece demasiado alto. Los coeficientes I y D se utilizan para limitar los impactos del coeficiente P y garantizar la estabilidad. El ajuste adecuado de estos tres coeficientes es clave para lograr un rendimiento óptimo de un controlador PID. Los controladores PID se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la robótica, las máquinas herramienta, los sistemas de control de procesos y los motores de automóviles. Se pueden utilizar para controlar la temperatura, la posición, la velocidad, el caudal y otros parámetros. La capacidad única de un controlador PID para monitorear y ajustar con precisión los cambios en las condiciones del sistema lo convierte en una opción ideal para muchos procesos o sistemas donde la precisión es importante.

¿Cuándo no debe usar PID?

Los controladores PID no deben usarse cuando un simple interruptor de encendido/apagado o un controlador bang-bang es suficiente. Si el sistema tiene retrasos prolongados, falta de linealidad o exceso y defecto extremos, los controladores PID tampoco son adecuados. Además, si el entorno cambia rápida y frecuentemente (p. ej., variaciones de temperatura en un horno industrial), puede ser difícil para un controlador PID mantenerse al día con las condiciones cambiantes, lo que lo hace inadecuado para este tipo de aplicación. Finalmente, los controladores PID también pueden volverse inestables si sus ganancias se configuran demasiado altas, por lo que se debe tener cuidado para ajustarlas correctamente.

¿Cómo funciona un controlador de temperatura PID?

Un controlador de temperatura PID es un sistema de circuito cerrado que utiliza cálculos proporcionales, integrales y derivados (PID) para mantener un punto de ajuste deseado.

El controlador toma una entrada de un sensor, como un termopar, y luego la compara con el punto de ajuste deseado. Si la temperatura medida es inferior al punto de ajuste, la salida del controlador aumentará hasta que la temperatura alcance el punto de ajuste deseado. Por el contrario, si la temperatura medida es superior al punto de ajuste, la salida del controlador disminuirá hasta que alcance su objetivo. Los cálculos de PID ayudan a garantizar que no haya cambios repentinos en la temperatura y, al mismo tiempo, permiten un control preciso a lo largo del tiempo. Además, estos controladores se pueden usar en aplicaciones de calefacción y refrigeración según el tipo de sistema que se utilice.

¿Qué es una pantalla PID?

Una pantalla PID, o pantalla Proporcional-Integral-Derivativa, es un tipo de sistema de control que utiliza tres algoritmos matemáticos para ayudar a automatizar los procesos. El algoritmo funciona al recibir información de un dispositivo externo y luego ajustar la salida en consecuencia. Esto ayuda a controlar varios aspectos como la temperatura, la velocidad, la presión, etc. Los controladores PID se utilizan en sistemas en los que se deben mantener medidas exactas en todo momento y proporcionan una mayor precisión en comparación con otros tipos de controladores. También se pueden utilizar para tareas más complejas como la navegación y la robótica. Las pantallas PID a menudo se encuentran en entornos industriales debido a su confiabilidad y capacidad para mantener resultados consistentes a lo largo del tiempo. Además, brindan una solución económica para aplicaciones de automatización, así como la flexibilidad necesaria para cambiar parámetros.

Video útil: ¿Qué es un controlador PID?

Conclusión

Un controlador PID es una poderosa herramienta para administrar la temperatura de un proceso. Puede ayudar a mantener la temperatura estable y confiable, lo que puede ser beneficioso en muchas aplicaciones. Si bien requiere algunos ajustes para que funcione correctamente, una vez configurado, puede proporcionar un rendimiento excelente. Además, debido a su capacidad para aceptar varias entradas y salidas, es muy versátil y se puede utilizar en muchos tipos diferentes de situaciones. Esto lo convierte en una opción ideal para cualquiera que busque administrar la temperatura de su proceso de manera más eficiente y efectiva. Con la implementación y el ajuste adecuados, un controlador PID puede ayudar a garantizar que su proceso se ejecute con la máxima eficiencia con el mínimo esfuerzo de su parte.

Referencias

  1. https://www.omega.com/en-us/resources/pid-controllers
  2. https://www.ni.com/en-us/innovations/white-papers/06/pid-theory-explained.html
  3. https://www.power-and-beyond.com/pid-controller–definition-and-explanations-a-a69cf75cceed7b82932c0793458f58c9/
  4. https://www.elprocus.com/el-funcionamiento-de-un-controlador-pid/
  5. https://www.electricaltechnology.org/2015/10/what-is-pid-controller-how-it-works.html
  6. https://realpars.com/pid-controller/
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