Control PID para dummies: Todo lo que necesita saber

PID Control for Dummies está diseñado para aquellos que buscan una mejor comprensión del control PID sin empantanarse en complejos conceptos técnicos.

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Tanto si eres técnico como estudiante en el campo de la instrumentación, este artículo pretende ser un recurso que te oriente hacia el conocimiento del controlador pid.
Aprenderás sobre los orígenes del control PID, su funcionamiento, la importancia del control PID en diferentes industrias y consejos para optimizar tu proceso.

Puntos clave

  1. El regulador PID es parte integrante de los sistemas de control de la temperatura industrial. sistemas de control de la temperatura industrial en una amplia gama de industrias y aplicaciones.
  2. El objetivo principal de un regulador PID es comparar un valor de consigna con la medición del proceso para minimizar el error.
  3. Los ajustes correctos de sus reguladores de temperatura PID pueden tener un gran impacto en el rendimiento de su proceso.
  4. Una explicación de los términos PID, encendido/apagado, banda proporcional, derivada, integral, bucle, consigna y muchos otros conceptos relacionados le permitirá aprovechar toda la potencia de su sistema PID.
estabilidad y rendimiento de su sistema

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historia del regulador pid

Historia del regulador PID

Es difícil hablar de la regulación de los EPI sin referirse a su historia. A principios del siglo XX, Nicolas Minorsky observó que los buques eran incapaces de mantener un rumbo constante a pesar de los continuos esfuerzos del personal de pilotaje.

El Sr. Minorsky desarrolló entonces una solución a esta necesidad: el uso de un controlador automático que, aprovechando las diferencias entre la dirección deseada y el rumbo real, podía ajustar el timón para garantizar una navegación más suave.

Esta fue la base del nacimiento del control PID, y su efecto en el control de los procesos industriales ha sido mayúsculo.

nacimiento de la normativa pid fr
lazo de control para horno de alfarería es

Principio de funcionamiento

Para entender fácilmente cómo funciona un controlador PID, veamos un ejemplo sencillo y habitual de un lazo de control de temperatura de un horno de cerámica con un controlador de temperatura PID PXF.

La temperatura en el interior del horno debe mantenerse constante, por ejemplo a 800°C.

reglamento básico simple es

En lugar de un simple sistema de control on/off (el horno se enciende o se apaga), el controlador de temperatura PID mantendrá constante esta temperatura para evitar cualquier desviación que pueda deteriorar la calidad del producto dentro del horno.

sistema de bucle abierto

Así es como funciona.

El inicio del proceso de control implica un sensor de temperatura termopar que controla la temperatura en el interior del horno.

diagrama de bloques equivalente
respuesta del sistema en bucle cerrado o abierto es

Esta medida de temperatura se compara con la temperatura de consigna (800°C en este ejemplo).

sistema de bucle cerrado es

Ladiferencia entre estos dos valores, conocida como error, se envía al controlador PID que formula una acción de corrección en la salida para mitigar este error. La salida del controlador de temperatura PID controla entonces el controlador de potencia SCR para proporcionar la potencia óptima al elemento calefactor del horno para corregir el error.

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Esta corrección es el producto de tres funciones o magnitudes: los términos Proporcional (P), Integral (I ) y Derivativo (D) forman el acrónimo PID (Proportional Integral Derivative).

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Proporcional (P)

La acción de la banda proporcional equivale a multiplicar el error por un coeficiente proporcional (Kp). Esta acción ajusta la salida del regulador de forma que sea proporcional al error. Por tanto, si el error o la perturbación es grande, la corrección también lo será, y viceversa.

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Integral (I)

La acción integral pretende eliminar el error persistente acumulando los errores pasados e integrándolos en el tiempo. Esta acción acerca progresivamente el sistema a la consigna ajustando la salida en función del error integrado. El coeficiente integral (Ki) determina la influencia de este componente.

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Derivado (D)

La acción derivada se refiere a la tasa de variación del error. Esta acción predictiva permite al sistema reaccionar ante futuros acontecimientos basándose en las tendencias observadas. El coeficiente derivado (Kd) ajusta la influencia de esta acción para un mejor control.

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Ajuste de un regulador PID

El ajuste de un regulador proporcional integral derivativo puede parecer desalentador, pero es esencial para garantizar que el proceso funcione sin problemas. Cada uno de los parámetros de ajuste, P, I y D, afecta al modo en que el regulador reacciona a los cambios en el valor del proceso.

Los ajustes adecuados pueden mejorar significativamente la estabilidad y el rendimiento de tu sistema.

Sin embargo, una configuración mal ajustada puede, por el contrario, provocar oscilaciones, sobreexcitaciones y subreacciones, deteriorando la calidad del control del proceso.

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Descubra los reguladores de temperatura PXF PID

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Método Ziegler-Nichols

El método Ziegler-Nichols es un método muy conocido para ajustar los parámetros de un controlador PID.

Este método consiste en hacer oscilar el sistema o proceso ajustando la ganancia proporcional (Kp) hasta alcanzar el límite de estabilidad.

El periodo de oscilación y la ganancia crítica se utilizan a continuación para determinar los coeficientes óptimos proporcional (Kp), integral (Ki) y derivativo (Kd).

Aunque este método es conveniente para el ajuste inicial de los parámetros PID, es importante tener en cuenta que la optimización del sistema de control puede requerir más ajustes. Estos ajustes dependerán de la respuesta deseada y de las restricciones específicas del proceso.

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Límites del control PID

Si su sistema tiene una inestabilidad inherente, u otros problemas predominantes como retardos, perturbaciones, presiones externas, etc., entonces un controlador P, I, D sólo puede atemperarlos, no eliminarlos por completo. A veces resulta útil rediseñar el proceso u optar por la tecnología de control de temperatura Fuzzy Logic.

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Preguntas frecuentes sobre el control PID

¿Qué es un bucle cerrado en el control PID?

En un bucle cerrado, el regulador PID recibe constantemente información sobre el estado actual del proceso.

Utiliza esta información para realizar una corrección en su salida, manteniendo así el proceso lo más cerca posible del punto de consigna.

Este mecanismo mejora considerablemente la precisión con la que se gestionan las variables del proceso, lo que permite un control más estricto y una mayor estabilidad.

Además, los sistemas de bucle cerrado contribuyen eficazmente a contrarrestar las perturbaciones externas, minimizando las fluctuaciones indeseables.

¿Qué significa el término "todo o nada" en la normativa?

Encendido/Apagado se refiere a un modo de control en el que el sistema está encendido al 100% o completamente apagado. No hay niveles de funcionamiento intermedios.

¿Cuáles son las desventajas del control On/Off en comparación con el control PID?

  1. Falta de precisión: a diferencia del control PID, que ajusta con precisión la potencia para alcanzar y mantener la temperatura deseada, el control On/Off sólo funciona en estados extremos (100% encendido o apagado). Este método tiende a generar un rebasamiento del objetivo de temperatura antes de estabilizarse, creando fluctuaciones en lugar de la estabilidad obtenida con el control PID.
  2. Oscilaciones de temperatura: El funcionamiento On/Off provoca mayores oscilaciones de temperatura en torno al punto de consigna. Esta fluctuación puede ser perjudicial para los procesos que requieren un control preciso y constante de la temperatura.
  3. Desgaste de los equipos: El encendido y apagado frecuente de los equipos con control On/Off somete a los componentes mecánicos y eléctricos a un mayor esfuerzo, lo que puede reducir su vida útil en comparación con el funcionamiento más suave que permite el control PID.
  4. Consumo de energía: Aunque el control de encendido/apagado puede parecer más eficiente desde el punto de vista energético debido a los periodos de inactividad, los ciclos frecuentes de encendido/apagado pueden en realidad provocar un mayor consumo de energía a largo plazo, sobre todo en los casos en los que el sistema consume mucha energía en el arranque. El control PID, gracias a su ajuste preciso, tiende a optimizar el consumo de energía.
  5. Respuesta a las perturbaciones: El control On/Off puede ser menos eficaz ante perturbaciones repentinas del proceso (por ejemplo, la apertura de una puerta en una sala climatizada), ya que sólo puede responder encendiendo o apagando, mientras que el control PID puede ajustar proporcionalmente la energía aplicada para contrarrestar rápidamente la perturbación.

 

En resumen, el control On/Off puede adaptarse a aplicaciones sencillas y menos exigentes.

Sin embargo, para un control preciso y eficaz de la temperatura, especialmente en entornos industriales o para procesos críticos, los controladores PID: la solución para mejorar sus procesos industriales ofrecen importantes ventajas en términos de estabilidad, eficiencia energética y protección de los equipos.

¿Qué es la banda proporcional en el control PID?

La banda proporcional es el intervalo de valores dentro del cual el regulador pasa de su estado de desactivación a su estado de plena potencia (y viceversa) en un control proporcional. Es la parte del control PID que reacciona en función de la diferencia entre el valor deseado y el valor actual. Cuanto mayor sea la diferencia, mayor será la corrección efectuada.

¿Qué es la banda integral en el control PID?

La banda integral es la parte del control PID que se acumula con el tiempo. Si la desviación persiste, por pequeña que sea, esta corrección seguirá aumentando hasta que se corrija la desviación.

¿Qué es la derivada en el control PID?

Laacción derivativa en el control PID es la parte que reacciona a la velocidad de cambio de la desviación. Intenta predecir el futuro de esta desviación y realizar una corrección preventiva para minimizar las variaciones demasiado rápidas.

¿Dónde pueden utilizarse los reguladores PID?

Las ventajas de los controladores PID en la industria son numerosas. En la industria farmacéutica, la regulación de la temperatura es esencial, así como en la industria alimentaria (por ejemplo, garantizando la calidad de la producción en hornos de panadería o regulando la temperatura de los hornos de pizza), en la industria del automóvil (por ejemplo, reduciendo el consumo de energía en cabinas de pintura), en laboratorios (por ejemplo, garantizando la calidad de los materiales al ensayar materiales de automoción), en máquinas especiales como envasadoras o mejorando la calidad en la industria del plástico con controladores de temperatura, en particular para..:

 

  • Control de la temperatura
  • Control del caudal y la velocidad del fluido
  • Control de nivel
  • Regulación de la presión

Y muchas otras aplicaciones con sistemas de control de la temperatura.

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no deje que la complejidad de la regulación del pid le detenga

No deje que la complejidad del control PID le detenga.

En Fuji Electric, nuestros expertos en control de temperatura industrial están preparados para ayudarle a seleccionar los controladores PID ideales para sus sistemas. Le ayudaremos durante la puesta en marcha de los controladores para ajustar con precisión la configuración de los parámetros.

Tanto si es un profesional experimentado como un novato en la materia, nuestro equipo está aquí para convertir el control PID en un activo controlable y de alto rendimiento para su empresa.

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