PRÁCTICA CON REGULADOR PID.
El programa que se encuentra en este apartado es una simulación de regulación de temperatura con un
regulador PID, nada mejor que experimentar para comprender el caprichoso comportamiento de los procesos
y cómo dominarlos ajustando correctamente los parámetros del regulador. La variación de temperatura es un
proceso lento y sin embargo contiene buena parte de las razones que lo hacen desconcertante. Cuando pruebe
suerte, se preguntará cómo es posible que un regulador, de rápida respuesta, no consiga dominar un proceso
de apariencia tan docil. Pero antes, vamos a tomar posiciones:
Si obserba la simulación (más abajo) verá un potenciómetro que será el encargado de establecer una
señal de consigna, conectada al regulador y a un voltímetro con el que podemos
ver su valor, que será variable entre 0 y 10 voltios. Un sensor o transductor de
temperatura transmite una señal que también varía entre 0 y 10 voltios, de esta forma, la consigna y la
medida de temperatura pueden compararse directamente, ya que su margen de variación es el mismo. La
señal del transductor de temperatura se visualiza en otro voltímetro y se ha conectado al regulador en su
conexión de realimentación. La diferencia entre consigna y realimentación es la llamada
señal de error, pues corresponde a lo que falta para que la temperatura alcance al nivel de consigna.
El regulador toma en cuenta el error para determinar las tres acciones que lo caracterizan:
Una acción proporcional que se define por el parámetro Kp, una acción integral definida
por Ti y una acción derivativa definida por Td. Las tres acciones se suman y dan como resultado una
señal de salida del regulador que se conoce como señal de control y que en este
proceso va conectada a un amplificador de potencia basado en la variación del punto de disparo de un triac.
El amplificador toma como referencia el paso por cero de la corriente alterna que alimenta la carga y la señal
de control define el desfase con el que se dispara el triac de salida. Por lo tanto, la forma de onda de la
alimentación de la carga es como vemos en la siguiente figura y la potencia depende de la señal de control
del regulador, que es considerada como una consigna por el amplificador.
Para experimentar, tenga en cuenta lo siguiente: Las acciones del regulador se anulan escribiendo el valor 0
en sus correspondientes parámetros, excepto la acción integral, que se intensifica al disminuir su parámetro
Ti, por lo tanto, puede anular la acción integral escribiendo en el campo para Ti un valor muy grande, por
ejemplo 100000. Tenga en cuenta que la simulación está bastante acelerada, puesto que una regulación real
de temperatura suele ser demasiado lenta. Si mide el tiempo que tarda en dominar el proceso de la simulación,
sepa que en un caso real pudiera traducirse en un tiempo 10 veces mayor (o más).
Ya puede probar: asigne valores a los parámetros y pulse en el potenciómetro hacia la mitad de su recorrido
para establecer un cambio brusco en la consigna. En la zona derecha verá gráficamente cómo responde la
temperatura (gráfica roja) y compararla con el nivel de consigna, que se marcará con una linea horizontal azul.
El objetivo es que alcance a la consigna con la máxima rapidez y precisión, pero será difícil conseguirlo en solo
unos pocos intentos, lo importante es acumular experiencia, es decir, comprender cómo afectan a la
temperatura las variaciones que asigne a los parámetros. Buena suerte.
¡ Es difícil !
Difícil, pero no imposible. En el siguiente punto puede ver las recomendaciones para un ajuste por prueba y
error y seguidamente veremos cómo lo aplicamos en la resolución. La representación gráfica de la respuesta
del proceso es una buena ayuda en el ajuste de parámetros, sin ello, tendríamos que resolver el problema con
la ayuda de un simple voltímetro o si los cambios son visibles (como en un posicionado), observando
directamente el proceso.
Sintonía de parámetros por prueba y error.
1.- Anular la acción integral y derivativa (Ti muy grande y Td igual a cero).
2.- Con pequeños cambios de consigna, ir aumentando la ganancia proporcional (Kp) hasta conseguir el
mínimo error posible sin perder el estado estable. Cuanto mayor sea la ganancia será más preciso pero menos
estable (la señal regulada sufre oscilaciones poco amortiguadas).
3.- Si el error estático es excesivo, iremos aumentando el efecto integral (disminuyendo Ti) pues sabemos que
proporciona una perfecta precisión estática con o sin perturbaciones y lo hace menos sensible a cambios en la
ganancia del proceso. La acción integral se aumentará hasta obtener una respuesta casi inestable (respuesta
que oscila de forma poco amortiguada).
4.- Introducir una pequeña acción derivativa con el objeto de mejorar la estabilidad sin eliminar la precisión
aportada por la acción integral.
5.- Si al introducir la acción derivativa aparece una respuesta a saltos o tambaleante y la acción de control se
satura a menudo, significa que esta acción es perjudicial, probablemente por excesivas perturbaciones que
transmite el sensor. Se aconseja eliminar la acción derivativa y disminuir un poco la acción integral hasta
conseguir la estabilidad deseada.
Puede probar lo siguiente:
Asigne el valor 100000 a Ti y 0 a Td para anular las acciones integral y derivativa. Si da un valor a Kp por
encima de 0.3 se comienza a percibir una cierta oscilación poco amortiguada. Puede probar con valores
mayores a 0.3 para ver el efecto, esto solo es una simulación, pero si fuese real habría que tener en cuenta las
consecuencias de hacer inestable al sistema y seguramente sería muy importante aumentar Kp con gran
cuidado, sin pasarse. Según lo dicho, puede ajustar el valor 0.3 en el campo de Kp y probar con saltos en la
consigna pulsando sobre el potenciómetro.
Claramente habrá comprobado que el error es exagerado, es decir, la línea roja se queda muy por debajo de la
línea azul (consigna). En la realidad, esto se debería a la pérdida de calor, que será igual al calor aportado
cuando la señal se estabiliza. Por lo tanto, disminuya el valor de Ti y verá cómo se elimina el error, por ejemplo
con Ti igual a 10 se anula el error pero la respuesta es todavía muy lenta. Si lo disminuye por debajo de 8.5 se
consigue máxima velocidad de respuesta pero el rebasamiento es muy grande en la primera oscilación o
incluso se hace inestable. Por lo tanto, puede ajustar el valor 8.5 para Ti, aceptando un cierto rebasamiento que
se intentará disminuir con la acción derivativa.
Con Td igual a 4 ya se percibe cierta disminución del rebasamiento y si lo aumenta más se consigue eliminar
pero la respuesta es más lenta porque corrige en exceso las variaciones rápidas, luego parece adecuado el
valor 4. Habrá comprobado que aparece un quiebro más o menos brusco en los primeros momentos del
ascenso en la gráfica roja (veremos cómo evitarlo en el siguiente apartado sobre el regulador PID). Esto es
debido al rápido crecimiento en la consigna, que es causa de un rápido aumento del error. En esos momentos
la acción derivativa es tan intensa que satura la salida de control y se aporta la máxima cantidad de calor, pero
inmediatamente el error deja de crecer y disminuye de forma más lenta, por lo que la acción derivativa cambia
de signo y retarda el aumento de temperatura de forma progresiva, haciendo que disminuya el rebasamiento.