Ajuste de control PID

Publicado en 10 de abril de 2023 por Roberta Roth

La bibliografía sobre control presenta varias técnicas de ajuste, tanto operando el proceso en modo manual (bucle abierto) como automático (bucle cerrado). La presentación de estas técnicas está fuera del alcance de este artículo. La gran mayoría de los controladores PID industriales tienen funciones de «Ajuste Automático», en las que el controlador aplica una prueba al proceso y obtiene el conjunto de parámetros PID (Pb, Ir y Dt).

Para la mayoría de los procesos, este cálculo es adecuado, pero en muchos casos es necesario realizar una corrección manual para obtener un rendimiento de control más satisfactorio (menos overshoot, estabilización más rápida, etc.).

Para realizar esta corrección manualmente, es imprescindible comprender los principios de funcionamiento que aquí se explican. A continuación se presentarán directrices que permiten realizar una optimización manual del rendimiento de un controlador PID.

Corrigiendo el PID manualmente

En muchos casos, es necesario configurar el Ajuste tras finalizar el Ajuste Automático. Esta configuración es manual y debe hacerse por prueba y error, cambiando los parámetros del PID y comprobando el rendimiento del proceso hasta obtener el rendimiento deseado. Para ello, es necesario conocer el efecto de cada parámetro PID en el rendimiento del control y tener experiencia con distintos procesos.

Las definiciones de un buen rendimiento de control también son muy variadas. Con frecuencia, el usuario espera de su sistema una respuesta que es incapaz de obtener, independientemente del controlador utilizado. Es habitual que el operario se queje de que la temperatura del horno tarda demasiado en subir, pero el controlador siempre está al 100% de MV, es decir, no hay nada más que acelerar.

A veces, el operador también quiere velocidad pero no overshoot, deseo a menudo contradictorio.

Para evaluar el rendimiento del controlador, es importante analizar el comportamiento de PV y MV y comprobar que el controlador actúa sobre MV en los momentos adecuados. Póngase en el lugar del controlador e imagine qué haría usted con la MV y compare su acción con la del controlador. A medida que se adquiere experiencia, este tipo de juicio se vuelve bastante eficaz.

La Tabla 2 resume el efecto de cada uno de los parámetros en el rendimiento del proceso:

PARÁMETRO	AL AUMENTAR, EL PROCESO …	AL DISMINUIR, EL PROCESO …
Pb	Disminuye la velocidad. Generalmente se vuelve más estable o menos oscilante. Tiene menos overshoot.	Aumenta la velocidad. Se vuelve más inestable o menos oscilante. Tiene más overshoot.
Ir	Aumenta la velocidad, alcanzando rápidamente el Setpoint. Se vuelve más inestable o menos oscilante. Tiene más overshoot.	Disminuye la velocidad, tardando para alcanzar el Setpoint. Se vuelve más estable o más oscilante. Tiene menos overshoot.
Dt	Disminuye la velocidad. Tiene menos overshoot.	Aumenta la velocidad. Tiene más overshoot.

Tabla 2 – El efecto de cada parámetro PID en el proceso

A continuación, la Tabla 3 muestra sugerencias de cambios en los parámetros del PID basados en el comportamiento del proceso, con el objetivo de mejorarlo:

SI EL RENDIMIENTO DEL PROCESO …	INTENTA LAS OPCIONES UNA POR UNA:
Está casi bien, pero el overshoot es un poco alto.	Aumentar Pb en 20 %. Disminuir Ir en 20 %. Aumentar Dt en 50 %.
Está casi bien, pero no tiene overshoot y tarda a alcanzar el Setpoint.	Disminuir Pb en 20 %. Aumentar Ir en 20 %. Disminuir Dt en 50 %.
Está bien, pero MV varía siempre entre 0 % y 100 % o varía demasiado.	Disminuir Dt en 50 %. Aumentar Pb en 20 %.
Está malo. Tras el arranque, el transitorio dura varios periodos de oscilación, que se reducen muy lentamente o no se reducen en absoluto.	Aumentar Pb en 50 %.
Está malo. Después del partido, avanza lentamente hacia el Setpoint, sin overshoot. Todavía está lejos del Setpoint y MV ya es inferior al 100 %.	Disminuir Pb en 50 %. Aumentar Ir en 50 %. Disminuir Dt en 70 %.

Tabla 3 – Cómo mejorar el rendimiento del proceso

Ajuste automático en los controladores de NOVUS

Todos los controladores PID NOVUS permiten realizar el proceso de Ajuste Automático de los parámetros PID, característica conocida como «Auto Tune».

Para realizar el Ajuste Automático, el controlador debe estar instalado en el proceso que se va a controlar, con el sensor de medición PV y la señal de actuación de MV conectados al proceso y al actuador y funcionando correctamente. El operador debe seguir las instrucciones contenidas en el manual del controlador para activar la función de Ajuste Automático e iniciar el control del proceso.

A continuación se describe la técnica de Ajuste Automático en los controladores NOVUS.

Operación del Ajuste Automático

Durante el proceso de Ajuste Automático, el controlador realiza el control del proceso al aplicar saltos en MV para provocar oscilaciones de PV alrededor de SV. Tras algunos ciclos de oscilación, los parámetros Pb, Ir y Dt del control PID se calculan a partir de la amplitud y el periodo de la oscilación, utilizando una versión optimizada de las fórmulas Åström-Hägglund.

Después del Ajuste Automático, el controlador empieza a controlar el proceso, utilizando el algoritmo PID con los nuevos parámetros calculados. El número de oscilaciones completas de PV alrededor de SV durante el Ajuste Automático dependerá de las características del proceso y puede completarse entre 1 y 5 ciclos.

La Figura 4 muestra el comportamiento de PV durante el Ajuste Automático de un proceso que necesitó oscilar 2,5 ciclos hasta obtener las medidas necesarias para calcular los parámetros PID:

Figura 4 – Prueba aplicada al proceso durante el Ajuste Automático

Ajuste autoadaptativo en los controladores NOVUS

Los controladores NOVUS más avanzados tienen funciones de Ajuste Autoadaptativo, además de la función Ajuste Automático. Cuando el usuario la activa, la función de Ajuste Autoadaptativo observa continuamente el rendimiento del lazo de control PID y realiza un nuevo ajuste de los parámetros Pb, Ir y Dt siempre que el rendimiento empeore en relación con las observaciones anteriores.

A continuación se explica la técnica de Ajuste Autoadaptativo de los controladores NOVUS.

Operación del Ajuste Autoadaptativo

El Ajuste Adaptativo automático es una función del controlador que el usuario puede activar o desactivar. Una vez activada esta función y ejecutada al menos una vez, el controlador supervisa continuamente la estabilidad de PV y MV a través del cálculo de sus desviaciones. A partir de las desviaciones individuales de PV y MV y de los valores de referencia establecidos para ellas tras el ciclo de Ajuste anterior, se calcula un índice de rendimiento, que indica la necesidad o no de seguir ajustando los parámetros de control.

Si el índice de rendimiento del proceso es bajo, el controlador inicia automáticamente un ciclo de Ajuste Automático, aplicando pequeños saltos en MV, sin degradar más el rendimiento, hasta que obtenga información sobre el comportamiento de PV y MV que permita un nuevo cálculo de los parámetros Pb, Ir y Dt. Utilizando estos nuevos parámetros, el controlador reanuda el control PID y establece un nuevo índice de rendimiento para utilizarlo como referencia.

La Figura 5 muestra el diagrama de bloques del sistema de control PID, el monitor de rendimiento y el Ajuste Automático:

Figura 5 – Diagrama de bloques del sistema de control PID autoadaptativo

La Figura 6 muestra el comportamiento de PV y MV en un proceso que comienza estable, degrada su rendimiento, se sintoniza automáticamente para ajustar los parámetros Pb, Ir y Dt a las nuevas condiciones y reanuda la estabilidad a través del control PID: