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Acciones básicas de controladores

4.1- Acciones de control.

Las acciones básicas de control son el mecanismo por el cual un sistema realiza la comparación entre un valor de referencia o estándar y el valor obtenido en la muestra de producción. En definitiva, es la forma de medir el desempeño.

Es muy importante la correcta definición de los indicadores y parámetros. Deben ser representativos de la realidad, suficientes en su cuantía, relevantes, oportunos, verificables, etc.

Por otra parte, resulta necesario considerar que existen dos momentos en los cuales puedes llevarse a cabo las acciones de control. En un sentido limitado, se puede ejecutar un chequeo de los resultados obtenidos, es decir, ex – post. En este caso, lo que se pretende es determinar los errores que se han cometido para tomar las medidas necesarias para su corrección.

Mientras que, en el sentido más amplio, se efectúa en forma preventiva, es decir, ex – ante. Lo que se pretende es prevenir los potenciales desvíos, desviando los cursos de acción para evitar los problemas futuros.

La importancia de las acciones de control se puede sintetizar en los siguientes aspectos:

1.- Calidad:

Determinando las fallas se logran las correcciones necesarias en forma oportuna, garantizando la satisfacción de clientes internos y externos a la organización.

2.- Eficiencia del ciclo productivo:

Se logra mediante la respuesta rápida a los estímulos del entorno organizacional. Esto implica la capacidad de percibir a tiempo los gustos de los consumidores, orientando la producción a la demanda.

3.- Optimizar el valor agregado:

Las mejoras de tiempos y tareas contribuyen al desarrollo de ventajas comparativas y competitivas, como así también lograr la diferenciación del producto ofrecido.

4.- Propender al trabajo en equipo y la descentralización:

El trabajo colaborativo permite generar empatía y sinergia en el grupo.

4.1.1- Acción de 2 posiciones.

EL ACCIONADOR TIENE DOS POSICIONES FIJAS, “CONECTADO” O “DESCONECTADO”. ESTE CONTROL ES ELEMENTAL Y CONSISTE EN ACTIVA R EL MANDO DE ACCIÓN CUANDO LA VARIABLE CONTROLADA ESTÁ POR DEBAJO DEL VALOR DESEADO Y LUEGO DESACTIVARLO CUANDO ESTÉ POR ARRIBA.

4.1.2- Acción proporcional.

ESTA ACCIÓN DE CONTROL SE CARACTERIZA PORQUE LA SALIDA DEL CONTROLADOR ES PROPORCIONAL A LA SEÑAL DE ERROR ACTUANTE.

LA GANANCIA GANANCIA ESTÁTICA ESTÁTICA DEL CONTROLADOR CONTROLADOR “Kp” O “SENCIBILIDAD SENCIBILIDAD”, DETERMINA DETERMINA CUANTO SE MODIFICA MODIFICA LA SALIDA DEL CONTROLADOR CON UN CIERTO CAMBIO DEL ERROR.

SEÑAL INICIAL (mo): REPRESENTA REPRESENTA LA SEÑAL DE SALIDA DEL CONTROLADOR CONTROLADOR CUANDO LA SEÑAL DE ERROR ACTUANTE ACTUANTE ES CERO. ERROR ESTACIONARIO: ES LA DESVIACIÓN DESVIACIÓN DEL SISTEMA SISTEMA CUANDO SE ATENÚAN ATENÚAN LOS TRANSITORIOS TRANSITORIOS.

4.1.3- Acción integral.

Sin duda alguna es de vital importancia que entiendas cual es la función que cumple cada una de las acciones del controlador PID para que puedas sintonizarlo o ajustarlo a tu proceso en particular.

Antes de entrar en detalle con lo que es acción de control integral la cual hace parte del control PID, vamos a suponer que para nuestro proceso de nivel del tanque (visto en la entrada anterior del controlador proporcional) vamos a cambiar la válvula neumática por una válvula eléctrica que posee un motor junto un motorreductor.

4.1.4- Acción derivativa.

La definición de la acción derivativa del controlador proporcional, integral, derivativo consiste en brindar al controlador una característica de anticipación del comportamiento futuro que va a tener la señal de error que recibe el propio PID.

Esta predicción es hecha simplemente calculando la derivada del error en el instante de tiempo acutal, que en otras palabras calcula la tangente a ese punto y traza una proyección hacia el futuro del posible comportamiento que tendrá el error.

En la siguiente gráfica se ilustra las acciones de control y ejemplos del comportamiento del error que se lleva a cabo cuando se implementa un controlador PID:

Básicamente lo que se hace con la acción derivativa es aproximar la curva del error por una recta, para anticipar lo que va a suceder en el futuro y para esto podemos usar una aproximación por series de Taylor.

Miremos el siguiente gráfico y supongamos que nos queremos anticipar un tiempo en el futuro.

4.1.5- Acción proporcional e integral.

ESTE ALGORITMO DE CONTROL ELIMINA EL ERROR ESTACIONARIO GENERADO POR LA ACCIÓN “ P ” Y CORRIGE TOMANDO EN CUENTA LA MAGNITUD DEL ERROR Y EL ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL LA ACCIÓN P Y CORRIGE TOMANDO EN CUENTA LA MAGNITUD DEL ERROR Y EL TIEMPO QUE ÉSTE HA PERMANECIDO.

4.1.6- Acción proporcional y derivativa.

ES UN CONTROL “P” AL QUE SE LE AGREGA LA CAPACIDAD DE CONSIDERAR TAMBIÉN LA VELOCIDAD DE LA VARIABLE CONTROLADA EN EL TIEMPO, DE MANERA DE “ADELANTAR” LA ACCIÓN DE CONTROL DEL MANDO DE SALIDA OBTENIENDO UNA RESPUESTA MÁS ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL + DERIVATIVO LA ACCIÓN DE CONTROL DEL MANDO DE SALIDA OBTENIENDO UNA RESPUESTA MÁS ESTABLE.

4.1.7- Acción proporcional derivativa e integral.

LA SALIDA ES PROPORCIONAL A UNA COMBINACIÓN LINEAL DE LA ENTRADA, DE SU INTEGRAL RESPECTO AL TIEMPO Y DE SU DERIVADA. EL ALGORITMO DE CONTROL ACCIÓN DE CONTROL PROPORCIONAL + INTEGRAL + DERIVATIVO COMBINA LAS ACCIONES PROPORCIONAL, INTEGRAL Y DERIVATIVA, REUNIENDO LAS VENTAJAS DE CADA UNA DE LAS TRES ACCIONES INDIVIDUALES.

4.2- Criterios para la selección de un controlador.

La utilización de un controlador ofrece un mejoramiento exponencial dentro de la producción, para saber cuál usar debemos tener en cuenta el seguimiento de los lineamentos basados en las normas, así que tenemos que utilizar un método matemático riguroso para saber que controlador utilizar y poder aprovecharlo al máximo.

Para empezar, debemos seleccionar un método matemático, de preferencia la eficacia, para después calcular el valor de esta en P, PI, y PD con los valores óptimos de los parámetros.

A veces es preferible recurrir a enfoques empíricos, basados en la observación del efecto de los distintos controladores (P, PI o PID) sobre los procesos simulados (Control Station).

Control Proporcional:

· Acelera la respuesta del proceso controlado

· Produce un offset (excepto integradores puros)

Control Integral:

· Elimina todo offset

· Eleva las desviaciones máximas

· Produce respuestas arrastradas y largas oscilaciones

· El aumento de Kc aumenta acelera la respuesta pero produce más oscilaciones y puede llegar a desestabilizar el sistema

Control Derivativo:

· Anticipa el error y actúa en función del error que iría a ocurrir

· Estabiliza la respuesta de bucle cerrado

La ruta empírica será usar siempre el controlador más simple; p.e., puede que el offset no sea importante o que exista un término integral puro (1/s) en la función de transferencia (presión de gas; nivel de líquido).

4.3- Construcción de controladores

La implementación de las distintas técnicas de control estará basada en un sistema en cascada, con dos lazos relativos claramente identificados, uno para el subsistema de rotación y otro para el subsistema de traslación.

Para ambos subsistemas, partiremos del desarrollo de controles clásicos, como el PD y buscando una mejora en la respuesta usando la acción integral con controles PID. Una vez realizado estos controladores y tratando de optimizar la resolución del problema de seguimiento implementaremos controles Predictivos, basados en modelos de predicción no lineal. Para comprobar si los resultados que obtendremos mediante estrategias de control predictivo comprobaremos los resultados en paralelo con los resultados obtenidos por los controles clásicos.

4.3.1- Controlador PID eléctrico.

El uso de equipos de control en sistemas de bombeo no es algo nuevo en la industria. Sin embargo, se habla acerca del control PID mas no siempre se tiene la certeza de qué es y para qué sirven estos parámetros.

El control PID es un mecanismo de control que a través de un lazo de retroalimentación permite regular la velocidad, temperatura, presión y flujo entre otras variables de un proceso en general. El controlador PID calcula la diferencia entre nuestra variable real contra la variable deseada. En sistemas de bombeo, regularmente nos interesa mantener la presión o flujo constante, por lo tanto, el control PID mide la diferencia entre la presión en la tubería y la presión requerida y actúa variando la velocidad del motor para que podamos tener nuestra presión o flujo constante.

El algoritmo de control incluye tres parámetros fundamentales: Ganancia proporcional (P), Integral (I) y Derivativo (D).

El parámetro Proporcional (P) mide la diferencia entre el valor actual y el set-point (en porcentaje) y aplica el cambio. Para aplicaciones sumergibles, el valor recomendado es 50% y para aplicaciones centrífugas, el valor recomendado es 10%.
El parámetro Integral (I) se refiere al tiempo que se toma para llevar a cabo acción correctiva. Mientras el valor sea más pequeño, el ajuste es más rápido, pero puede causar inestabilidad en el sistema, oscilaciones, vibración de motor y de la bomba. El valor recomendado para aplicaciones sumergibles es de 0.5 segundos y para aplicaciones centrífugas es de 1 segundo.

El parámetro Derivativo (D) emite una acción predictiva, es decir, prevé el error e inicia una acción oportuna. Responde a la velocidad del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del error se vuelva demasiado grande.
La correcta sintonización o programación de estos parámetros nos ayuda a controlar de manera efectiva nuestra presión o flujo deseado. Si no programamos adecuadamente estos parámetros, el sistema puede quedar inestable y el motor y la bomba pueden comenzar a vibrar y dañarse.

El control PID es una excelente herramienta para lograr el ahorro de energía en sistemas de bombeo y se encuentra incluido dentro de nuestro drive Serie P, ofreciéndole tecnología confiable y de vanguardia.

4.3.2- Método de Zieglers y Nichols

El método de Ziegler y Nichols permite ajustar o "sintonizar" un regulador PID de forma empírica, sin necesidad de conocer las ecuaciones de la planta o sistema controlado. Estas reglas de ajuste propuestas por Ziegler y Nichols fueron publicadas en 1942 y desde entonces es uno de los métodos de sintonización más ampliamente difundido y utilizado. Los valores propuestos por este método intentan conseguir en el sistema realimentado una respuesta al escalón con un sobre pulso máximo del 25%, que es un valor robusto con buenas características de rapidez y estabilidad para la mayoría de los sistemas.

El método de sintonización de reguladores PID de Ziegler-Nichols permite definir las ganancias proporcional, integral y derivativa a partir de la respuesta del sistema en lazo abierto o a partir de la respuesta del sistema en lazo cerrado. Cada uno de los dos ensayos se ajusta mejor a un tipo de sistema.

Recopilado: Ing. Alejandro Guerrero A.

Referencias.