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                         INTRODUCCION A LOS CONTROLADORES
                                        PID

                      Jorge W. Molina Garcia, Daniel A. Pernia, Ender Luzardo


                            Postgrado en Automatizaci´n e Instrumentaci´n
                                                       o               o
                           Facultad de Ingenier´ Universidad de los Andes
                                                ıa.
                                       Av. Tulio Febres Cordero.
                                           M´rida-Venezuela
                                             e
                                     e-mail: jowimg@hotmail.com,
                                  dpernia@ula.ve,eolrc@hotmail.com



           Resumen: El objetivo de este art´ ıculo es presentar una breve introducci´n a los
                                                                                       o
           sistemas de control autom´tico. En este se estudia el concepto componentes b´sicos
                                      a                                                    a
           de un sistema de control, sus modalidades: lazo abierto y lazo cerrado, an´lisis en el
                                                                                     a
           dominio del tiempo y en la frecuencia representando las ecuaciones caracter´   ısticas
           y las respuestas de modelos de primer y segundo orden. Tambi´n se estudian las
                                                                             e
           diferentes acciones b´sicas de control, su modelo matem´tico, representaci´n en
                                a                                      a                   o
           diagrama de bloques y las respuestas de estos sistemas ante una entrada escal´n.   o
           Haciendo ´nfasis en los controladores del tipo PID para los cuales se presentan los
                      e
           m´todos de sintonizaci´n de sus par´metros seg´n Ziegler-Nichols.
             e                    o             a           u

           Keywords: Sistemas de Control, Estado Transitorio y Estacionario,
           Controladores, Sintonizacion.




              ´
 1. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE                           La adaptaci´n del comportamiento del sis-
                                                                         o
             CONTROL                                         tema a las caracter´  ısticas desconocidas o
                                                             variables con el tiempo
1.1 Sistema de Control                                     Sus aplicaciones son muy diversas pero es es-
                                                        encial en el control num´rico de las maquinas-
                                                                                  e
     Es el conjunto de dispositivos que colaboran       herramientas, industrias de manufactura, indus-
en la realizaci´n de una tarea, donde el principio
               o                                        tria aeroespacial, dise˜o en la industria auto-
                                                                               n
b´sico del control es la regulaci´n autom´tica o
  a                               o        a            motriz adem´s en las operaciones industriales co-
                                                                     a
gu´ de sistemas din´micos o dispositivos bajo
    ıa                 a                                mo el control de presi´n, temperatura, humedad,
                                                                              o
condiciones de estados estacionarios y transito-        viscosidad y flujo en la industria de proceso.
rios. El uso efectivo de estos resultados depende
de varios factores como lo son:
                                                        1.2 Componentes Basicos Sistema de Control
    La realimentaci´n; lo cual hace posible el
                     o
    establecimiento y mantenimiento de estabili-
                                                          Un sistema de control basicamente esta com-
    dad en la operaci´n del sistema
                       o
                                                        puesto por:
    La disminuci´n de la sensibilidad de fun-
                  o
    cionamiento; para limitaciones de dise˜o,  n         1. Objetivos de control
    para variaciones de los par´metros de la plan-
                               a                         2. Componentes del sistema de control
    ta y no linealidades de la planta                    3. Resultados o Salidas
segun como se muestra en la figura (1).                   de realimentaci´n a fin de reducir el error y llevar
                                                                         o
                                                         la salida del sistema a un valor conveniente. Su
                                                         representacion es la que muestra en la figura (3)




Figura 1. Esquema Basico de un Sistema



1.3 Definiciones B´sicas
                 a

1.3.1. Variable Controlada y Manipulada:          la
variable controlada es la cantidad o condici´n   o       Figura 3. Sistema de Control en Lazo Cerrado
que se mide y se controla, y la manipulada es la
cantidad o condici´n que el controlador modifica
                   o
para afectar el valor de la variable controlada.
                                                         2.3 Comparaci´n entre sistemas en Lazo Abierto
                                                                       o
                                                         y Lazo Cerrado
1.3.2. Perturbaci´n: se˜al que tiende a afectar
                 o       n
negativamente el valor de la salida del sistema.         2.3.1. Lazo Abierto
                                                              La estabilidad del sistema no es un problema
1.3.3. Control Realimentado:     se refiere a una              importante en este tipo de sistemas y es m´s
                                                                                                         a
operaci´n que en presencia de perturbaciones
       o                                                      f´cil de lograr
                                                               a
tiende a reducir la diferencia entre la salida de             Son aplicables cuando se conoce con antic-
un sistema y la entrada de referencia siendo esto             ipaci´n las entradas y no existen perturba-
                                                                    o
de manera continua con base a esta referencia.                ciones
                                                              Se usan componentes relativamente precisos
                                                              y baratos para obtener el control adecuado
   2. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO
         ABIERTO-LAZO CERRADO
                                                         2.3.2. Lazo Cerrado
2.1 Sistemas en Lazo Abierto                                  La estabilidad es una funci´n principal en
                                                                                            o
                                                              este tipo de sistema ya que puede conducir
   Son sistemas en los cuales la salida no tiene              a corregir exceso de errores que producen os-
efecto sobre la se˜al de control, es decir, no se mide
                  n                                           cilaciones de amplitud constante y cambiante
la salida en estos sistemas ni se realimenta para             Son aplicables cuando se presentan perturba-
comparar con la entrada. En estos sistemas, la                ciones y/o impredecibles en los componentes
precisi´n depende de la calibraci´n y la presencia
       o                            o                         del sistema
de perturbaciones. Un esquema de este tipo se                 Emplea mayor cantidad de componentes
presenta en la figura (2).                                     siendo estos m´s precisos y por ende m´s
                                                                              a                           a
                                                              costosos.
                                                              La realimentaci´n vuelve la respuesta insen-
                                                                              o
                                                              sible a las perturbaciones externas y varia-
                                                              ciones internas en los par´metros del sistema
                                                                                        a
                                                            Una combinaci´n adecuada entre controles de
                                                                           o
Figura 2. Sistema de Control en Lazo Abierto             lazo abierto y cerrado es menos costosa y ofre-
                                                         cer´ un desempe˜o satisfactorio del sistema gen-
                                                            a            n
                                                         eral.
2.2 Sistemas en Lazo Cerrado o Realimentados

   Es un sistema que mantiene una relaci´n        o           ´
                                                         3. ANALISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO
preestablecida entre la salida y la entrada de refer-
encia compar´ndola y usando la referencia como
               a                                            El an´lisis en el dominio del tiempo se relaciona
                                                                  a
medio de control. En estos sistemas se alimenta          con el estudio de la respuesta de los sistemas a la
al controlador con la se˜al de error de actuaci´n,
                         n                       o       se˜ales aperiodicas tales como: entrada escal´n,
                                                           n                                              o
la cual es la diferencia entre la entrada y la se˜al
                                                 n       rampa, par´bola e impulso.
                                                                     a
3.1 Respuesta Transitoria y Respuesta en Estado                    C(s)        ωn
Estable                                                                 = 2            2
                                                                                                     (2)
                                                                   R(s)  s + 2ζωn s + ωn

   La respuesta en el tiempo en un sistema de         donde:
control consta de dos partes: la respuesta transi-    ζ = Factor de Amortiguamiento Relativo
toria y la respuesta en estado estable. Se entiende   ωn = Frecuencia Natural no Amortiguada
por r´gimen transitorio a la respuesta que va del
      e
estado inicial al estado final; y por r´gimen per-
                                       e              su representaci´n en diagrama de bloques es
                                                                     o
manente a la manera en la cual se comporta la         la mostrada en la figura 6. El comportamiento
salida del sistema conforme el tiempo (t) tiende a
infinito.


3.2 Sistemas de Primer Orden

   Un t´ıpico sistema de primer orden esta repre-
sentado f´ısicamente por un circuito RC, un sis-      Figura 6. Diagrama de Bloques de un Sistema de
tema t´rmico o algo similar, su relaci´n entrada
       e                              o                   Segundo Orden
salida se obtiene mediante:
                                                      din´mico de un sistema de segundo orden se de-
                                                          a
                  C(s)     1                          scribe en t´rminos de los par´metros ζ y ωn ,en
                                                                 e                    a
                       =                       (1)
                  R(s)   Ts + 1                       base a esto se clasifica el sistema de la siguiente
                                                      manera:
su representaci´n en diagrama de bloques es el
               o
mostrado en la figura (4). A continuaci´n en la
                                      o               1. Caso Subamortiguado 0< ζ < 1
                                                      2. Caso Cr´
                                                                ıticamenteamortiguado ζ = 1
                                                      3. Caso Sobr´amortiguado ζ > 1
                                                                   e
                                                         A continuaci´n se muestra en la figura (7) la
                                                                      o
                                                      respuesta t´
                                                                 ıpica al escal´n unitario de un sistema
                                                                               o
                                                      de segundo orden. donde:

Figura 4. Diagrama de Bloques de un Sistema de
    Primer Orden
figura (5) se muestra un an´lisis de la respuesta
                             a
del sistema de entrada escal´n, e impulso unitario.
                            o




                                                      Figura 7. Respuesta a escalon unitario de un
                                                          Sistema de Segundo Orden


Figura 5. Respuesta a entrada Escal´n e Impulso
                                   o
    Unitario Sistema de Primer Orden                  3.3.1. Tiempo de Retardo td : es el tiempo re-
                                                      querido para que la respuesta alcance la primera
                                                      vez la mitad del valor final.
3.3 Sistemas de Segundo Orden
                                                      3.3.2. Tiempo de Levantamiento tr : es el tiem-
    La funci´n de transferencia prototipo de un
            o                                         po requerido para que la respuesta pase del 10
sistema de segundo orden en lazo cerrado es:          al 90 porciento, del 5 al 95 porciento o del 0
al 100 porciento de su valor final. Para sistemas
subamortiguados suele usarse un tiempo de lev-
antamiento de 0 a 100 porciento; y para sistemas
sobr´amortiguados 10 a 90 porciento.
    e


3.3.3. Tiempo Pico tp : es el tiempo requerido
para que la respuesta alcance el primer pico del      Figura 8. Diagrama de Bloques de un Sistema en
sobrepaso.                                                 el Dominio de la Frecuecia
                                                      4.1 Representaci´n Grafica de las Caracter´
                                                                       o                       ısticas
                                                      de la Respuesta en Frecuencia
3.3.4. Sobrepaso m´ximo Mp : es el valor pico
                     a
m´ximo de la curva de respuesta medido a partir
  a                                                      La funci´n de transferencia senoidal, funci´n
                                                                  o                                 o
de la unidad. Si el valor final en estado estable de   compleja de la frecuencia se caracteriza por su
la respuesta es diferente de la unidad, es com´n u    magnitud y ´ngulo de fase, con la frecuencia co-
                                                                   a
usar el porcentaje de sobre paso m´ximo.
                                     a                mo par´metro. Por lo general se usan representa-
                                                             a
                                                      ciones graficas de las funciones de transferencias
                                                      senoidales:
3.3.5. Tiempo de Asentamiento Ts : es el tiem-
                                                      1. Trazas de Bode o Trazas Logar´ıtmicas
po que se requiere para que la curva de respues-
                                                      2. Traza de Nyquist o Traza Polar
ta alcance un rango alrededor del valor final del
                                                      3. Traza de Magnitud Logar´  ıtmica contra la
tama˜o especificado por el porcentaje absoluto del
     n
                                                         Fase
valor final y permanezca dentro de el.

                                                      4.2 Trazas de Bode

        ´                                                Los diagramas de Bode consisten de un par
   4. ANALISIS EN EL DOMINIO DEL LA
                                                      de gr´ficas: una que ofrece la magnitud |G(jω)|
                                                            a
              FRECUENCIA
                                                      contra la frecuencia y la otra que muestra el
                                                      a
                                                      ´ngulo de fase φ(jω) contra la frecuencia. Un
    Se conoce con el t´rmino respuesta en frecuen-
                      e
                                                      ejemplo de la traza de bode se muestra en la figura
cia a la respuesta de un sistema en estado estable
                                                      (9). Como se muestra en la figura (9)los diagramas
a una entrada senoidal. En los m´todos de la
                                      e
respuesta en frecuencia, la frecuencia de la se˜al
                                               n
de entrada se var´ en un cierto rango para estu-
                  ıa
diar la respuesta resultante. El inter´s de tratar
                                        e
entradas sinusoidales est´ en que la respuesta del
                          a
sistema a estas se˜ales contiene informaci´n sobre
                  n                       o
la respuesta a se˜ales m´s generales. La salida
                   n        a
en estado estable para una entrada senoidal viene
dada por el sistema:

                   C(s)
                        = G(s)                 (3)
                   R(s)

La entrada r(t) es senoidal y se obtiene mediante:

                  r(t) = a sin(ωt)             (4)
                                                      Figura 9. Diagrama de Bode
si el sistema estable la salida c(t) se obtiene a     de Bode se suelen graficar en ejes especiales:
partir de:
                                                          El eje de abscisas es logar´
                                                                                     ıtmico en ω, es de-
                                                          cir, lineal en log(ω), donde el logaritmo es de
                c(t) = b sin(ωt + φ)           (5)
                                                          base 10. As´ se consigue una representaci´n
                                                                        ı                              o
                                                          compacta sobre un rango amplio de frecuen-
donde:                                                    cias. La unidad del eje es la d´cada, es decir,
                                                                                          e
b = a|G(jω)|, y                                           la distancia entre ω y 10ω para cualquier
φ = G(jω) = tan parteimaginariadeG(jω)
                   parterealdeG(jω)                       valor de ω.
                                                          La magnitud de la respuesta en frecuencia se
su representaci´n en diagrama de bloques es la
               o                                          mide en decibeles [dB], es decir, unidades de
mostrada en la figura (8).                                 20 log(ω)
La fase se mide en escala lineal en radianes o   donde:
     grados.                                          Ki es una constante ajustable

                                                      su equivalente en funci´n de transferencia es:
                                                                             o
            ´     ´
     5. ACCIONES BASICAS DE CONTROL
                                                                          U (s)   Ki
                                                                                =                       (10)
   Empezaremos con una clasificaci´n de los difer-
                                 o                                        E(s)    s
entes controladores industrial:
                                                          Si se duplica el valor de e(t) el valor de u(t)
1.   De dos posiciones o de encendido y apagado       varia dos veces mas r´pido, cuando e(t) = 0, el
                                                                              a
     (on-off)                                          valor de u(t) permanece estacionario es decir se
2.   Proporcionales                                   mantiene el valor de la entrada del proceso. En
3.   Integrales                                       ocasiones este es denominado tambi´n control de
                                                                                            e
4.   Proporcionales-Integrales                        reajuste (reset); su representacion en diagrama de
5.   Proporcionales-Derivativos                       bloques es el representado en la figura (11).
6.   Proporcionales-Integrales-Derivativos


5.1 Acci´n de Control Proporcional
        o

   Se basa en la relaci´n entre la se˜al de salida
                       o              n
del controlador u(t) y la se˜al de error e(t)
                            n
                                                      Figura 11. Diagrama de Bloques de un Contro-
                   u(t) = Kp e(t)              (6)        lador Integral

o su equivalente en funci´n de transferencia se
                          o
obtiene aplicando transformada de Laplace
                                                      5.3 Acci´n de Control Proporcional-Integral
                                                              o
                    U (s)
                          = Kp                 (7)
                    E(s)                                 La acci´n de este controlador se define medi-
                                                                o
                                                      ante:
donde:
                                                                                           t
Kp se considera la ganancia proporcional.                                         Kp
                                                                 u(t) = Kp e(t) +              e(t)δt   (11)
                                                                                  Ti
   Este tipo de controlador puede ser visto como                                       0
un amplificador con una ganancia ajustable, su
representacion es la mostrada en la figura (10).       o su equivalente en funci´n de transferencia:
                                                                               o
                                                                     U (s)            1
                                                                           = Kp (1 +      )             (12)
                                                                     E(s)            Ti s

                                                      donde:
                                                      Kp = Ganancia proporcional
                                                      Ti = Tiempo Integral
Figura 10. Diagrama de Bloques de un Contro-
    lador Proporcional                                   Ambos par´metros son ajustables, el tiempo
                                                                     a
                                                      integral ajusta la acci´n de control integral, mien-
                                                                             o
                                                      tras que un cambio en el valor de la ganancia
                                                      proporcional, afecta las partes integral y propor-
5.2 Acci´n de Control Integral
        o
                                                      cional de la acci´n de control. El inverso de Ti
                                                                        o
                                                      se denomina velocidad de reajuste, esta indica la
   El valor de la salida del controlador u(t) se
                                                      cantidad de veces por minuto que se duplica la
cambia a una raz´n proporcional a la se˜al de
                    o                    n
                                                      parte proporcional de la acci´n de control; su rep-
                                                                                    o
error e(t), es decir:
                                                      resentacion en diagrama de bloques es el mostrado
                   δu(t)                              en la figura (12). la respuesta ante una entrada
                         = Ki (t)              (8)    escal´n de un controlador PI se muestra en la
                                                           o
                    δt
                                                      figura (13).
o bien:
                                t                     5.3.1. Efectos del Control Proporcional-Integral
                u(t) = Ki           e(t)δt     (9)       La aplicaci´n de este tipo de control produce
                                                                     o
                            0                         los siguientes efectos sobre sistema a controlar:
su representacion en diagrama de bloques es la
                                                      mostrada en la figura(14). La magnitud de la




Figura 12. Diagrama de Bloques de un Contro-
    lador Proporcional-Integral


                                                      Figura 14. Diagrama de Bloques de un Contro-
                                                          lador Proporcional-Derivativo


                                                      se˜al de salida de este tipo de acci´n, tambi´n
                                                         n                                  o          e
                                                      llamada Control de Velocidad, es proporcional a
                                                      la velocidad de cambio de la se˜al de error. La
                                                                                        n
                                                      constante es el intervalo de tiempo durante el cual
                                                      la acci´n de la velocidad hace avanzar el efecto
                                                             o
                                                      de la acci´n proporcional. La respuesta ante una
                                                                o
                                                      entrada escal´n de un controlador PD se muestra
                                                                   o
                                                      en la figura (15).


Figura 13. Respuesta a entrada escal´n de un
                                      o
    Controlador Proporcional-Integral
    Mejora el amortiguamiento y reduce el sobre
    paso m´ximo
            a
    Incrementa el tiempo de levantamiento
    Disminuye el ancho de banda
    Mejora el margen de ganancia y de fase y la
    magnitud de pico de resonancia
    Filtra el ruido a alta frecuencia
    El error en estado estable se mejora con un
    orden es decir, si el error en estado estable a
    una entrada dada es constante, el control PI
    lo reduce a cero.
   Este tipo de controlador se utiliza general-
mente cuando se desea mejorar el error en estado      Figura 15. Respuesta a entrada escal´n de un
                                                                                           o
estacionario. Los sistemas se hacen normalmente           Controlador Proporcional-Derivativo
mas oscilatorios, si no se ajusta correctamente se
puede hacer inestable.

                                                      5.4.1. Efectos del Control Proporcional-Derivativo
5.4 Acci´n de Control Proporcional-Derivativa
        o                                                   La aplicaci´n de este tipo de control produce
                                                                       o
                                                      los siguientes efectos sobre sistema a controlar:
   Esta acci´n de control se define mediante:
            o
                                                          Mejora el amortiguamiento y reduce el so-
                                    δe(t)                 brepaso m´ximo
                                                                    a
           u(t) = Kp e(t) + Kp Td              (13)
                                     δt                   Reduce el tiempo de levantamiento y el tiem-
                                                          po de asentamiento
su funci´n de transferencia es:
        o
                                                          Incrementa el ancho de banda
               U (s)                                      Mejora el margen de ganancia y de fase y la
                     = Kp (1 + Td s)           (14)
               E(s)                                       magnitud de pico de resonancia
                                                          Puede acentuar el ruido en altas frecuencias
donde:                                                    No es efectivo para sistemas ligeramente
Kp = Ganancia Proporcional                                amortiguados o inicialmente estables
Td = Tiempo Derivativo                                    El error en r´gimen permanente no es afec-
                                                                       e
                                                          tado a menos que se vari´ con el tiempo
                                                                                  e
5.5 Acci´n de Control Proporcional-Integral-Derivativaindustria moderna, controlando m´s del 95 por-
        o                                                                                  a
                                                      ciento de los procesos industriales en lazo cerrado.
   Esta acci´n combinada tiene las ventajas y
             o
efectos de las acciones de control PD y PI, su
ecuaci´n viene dada por:
      o                                               6.1 Estructura de un PID
                              t
                     Kp                            δe(t)           Para representar la estructura de un contro-
    u(t) = Kp e(t) +              e(t)δt + Kp Td         (15)
                     Ti                             δt          lador PID se considera un lazo basico de con-
                          0                                     trol SISO (unica entrada, unica salida) el cual se
                                                                presenta en la figura (18), del cual se deduce las
su funci´n de transferencia es:
        o
           U (s)            1
                 = Kp (1 +      + Td s)               (16)
           E(s)            Ti s

donde:
Kp = Ganancia Proporcional
Ti = Tiempo Integral
Td = Tiempo Derivativo                                          Figura 18. Diagrama de Bloques de un lazo basico
                                                                    de control SISO
su representacion en diagrama de bloques es la
                                                                formas estandar de los controladores PID:
mostrada en la figura (16). La respuesta ante una
                                                                1. Proporcional:

                                                                                      KP (s) = Kp                 (17)

                                                                2. Proporcional e Integral:
                                                                                                       1
                                                                                 KP I (s) = Kp (1 +        )      (18)
                                                                                                      Ti s
Figura 16. Diagrama de Bloques de un Contro-                    3. Proporcional y Derivativo:
    lador Proporcional-Integral-Derivativo
                                                                                                      Td s
                                                                               KP D (s) = Kp (1 +            )    (19)
entrada escal´n de un controlador PID ideal se
             o                                                                                      τd s + 1
muestra en la figura (17)
                                                                4. Proporcional, Integral y Derivativo:
                                                                                                  1      Td s
                                                                          KP ID (s) = Kp (1 +         +         ) (20)
                                                                                                 T i s τd s + 1
                                                                5. Serie:
                                                                                                 Is        1 + Ds s
                                                                          Kserie (s) = Ks (1 +      )(1 +             (21)
                                                                                                 s        γs Ds s + 1
                                                                6. Paralelo:
                                                                                                 Ip    1 + Ds s
                                                                          Kparalelo (s) = Kp +      +             (22)
                                                                                                 s    γs Ds s + 1


                                                                                           ´
                                                                   7. REGLAS DE SINTONIZACION PARA
                                                                         CONTROLADORES PID
Figura 17. Respuesta a entrada escal´n de un Con-
                                    o
                                                                    El proceso de seleccionar los par´metros del
                                                                                                         a
    trolador Proporcional-Integral-Derivativo
                                                                controlador que cumplan con las especificaciones
                                                                de desempe˜o se conoce como sintonizaci´n del
                                                                            n                                   o
                                                                controlador. Es posible aplicar diversas t´cnicas
                                                                                                               e
                          ´
         6. CONTROL PID CLASICO                                 de dise˜o con el fin de determinar los par´metros
                                                                       n                                      a
                                                                del controlador que cumpla las especificaciones en
   La familia de controladores de estructura fija                estado transitorio y en estado estable del sistema
o controladores PID, han mostrado ser robustos                  en lazo cerrado. Ziegler y Nichols sugirieron re-
y extremadamente beneficiosos en el control de                   glas para sintonizar los controladores PID lo cual
muchas aplicaciones de importancia en la indus-                 significa establecer valores Kp , Ti , Td ; basados en
tria siendo el m´s ampliamente utilizado en la
                a                                               la respuestas escal´n experimentales o en valor de
                                                                                   o
Cuadro 1. Par´metros de controladores
                  a
     PID seg´n el m´todo de oscilaci´n de
            u       e                o
                Ziegler-Nichols
       Controlador     Kp       Ti       Td
           P         0,50Kc
           PI        0,45Kc   Pc /1,2
          PID        0,60Kc    Pc /2    Pc /8

Kp que se produce en estabilidad marginal cuan-
do solo se usa la acci´n de control proporcional.
                      o
A continuaci´n se presentan las reglas Ziegler-
              o
Nichols, las cuales son muy convenientes cuando
no se conocen los modelos matem´ticos de las
                                    a
plantas.
                                                        Figura 19. Respuesta al escal´n (Curva de Reac-
                                                                                      o
                                                            ci´n) en lazo abierto de la planta
                                                              o
                                                             Cuadro 2. Par´metros de controladores
                                                                          a
7.1 Metodo de Oscilaci´n de Ziegler Nichols
                      o
                                                             PID seg´n el m´todo de la curva de
                                                                    u        e
                                                                  reacci´n de Ziegler-Nichols
                                                                        o
   Este m´todo propone un arreglo para deter-
          e
minar los valores de ganancia proporcional Kp ,               Controlador          Kp           Ti     Td
tiempo integral Ti , y tiempo derivativo Td , con                 P             γ0 /K0 τ0
base en la respuesta transitoria de una planta                    PI          0,9γ0 /K0 τ0      3τ0
                                                                 PID          1,2γ0 /K0 τ0      2τ0   0,5τ0
especifica. El procedimiento es el siguiente:
1. Aplicar a la planta s´lo control proporcional
                         o                                                         y ∞ − y0
                                                                            ko =            ,                 (23)
   con ganancia Kp peque˜a.n                                                        u∞−u0
2. Aumentar el valor de Kp hasta que el lazo                                τ o = t 1 − t0 ,                  (24)
   comience a oscilar. La oscilaci´n debe ser
                                    o
   lineal y debe detectarse en la salida del con-                           γo = t2 − t1 ,                    (25)
   trolador u(t).
3. Registrar la ganancia cr´  ıtica Kp ,Kc y el         Los par´metros del controlador PID propuestos
                                                                a
   per´ıodo de oscilaci´n Pc de u(t) a la salida
                       o                                por Ziegler y Nichols a partir de la curva de
   del controlador.                                     reacci´n se determinan a trav´s de los valores del
                                                              o                      e
4. Ajustar los par´metros del controlador PID
                   a                                    cuadro (2).
   de acuerdo al cuadro 1).

                                                                      8. CONCLUSIONES
7.2 M´todo de la Curva de reacci´n de Ziegler-Nichols
     e                          o
                                                           Los controladores PID se usan ampliamente en
Muchas plantas en la pr´ctica pueden describirse
                        a                               control industrial, desde una perspectiva moder-
satisfactoriamente con un modelo de la forma de         na, un controlador PID es simplemente un contro-
la figura (18). Una versi´n linealizada cuantita-
                         o                              lador de segundo orden con integraci´n. Hist´ri-
                                                                                                o      o
tiva de este modelo puede obtenerse mediante            camente, los controladores PID se ajustaban en
un experimento a lazo abierto con el siguiente          t´rminos de sus componentes P, I y D. Su es-
                                                         e
procedimiento:                                          tructura ha mostrado emp´   ıricamente ofrecer su-
                                                        ficiente flexibilidad para dar excelentes resultados
1. Llevar manualmente la planta a lazo abierto
                                                        en muchas aplicaciones. El t´rmino b´sico en el
                                                                                       e         a
   a un punto de operaci´n normal manipulando
                         o
                                                        controlador PID es el proporcional P, que origina
   u(t). Supongamos que la planta se estabiliza
                                                        una actuaci´n de control correctiva proporcional
                                                                    o
   en y(t) = y0 para u(t) = u0 .
                                                        el error. El t´rmino integral I brinda una cor-
                                                                       e
2. En un instante inicial t0 aplicar un cambio
                                                        recci´n proporcional a la integral del error. Esta
                                                             o
   escal´n en la entrada, desde u0 a u∞ (el salto
        o
                                                        acci´n tiene la ventaja de asegurar que en ultima
                                                            o                                       ´
   debe estar entre un 10 a 20 porciento del
                                                        instancia se aplicar´ suficiente acci´n de control
                                                                            a                 o
   valor nominal).
                                                        para reducir el error de regulaci´n a cero. Sin
                                                                                            o
3. Registrar la respuesta de la salida hasta que
                                                        embargo, la acci´n integral tambi´n tiene un efec-
                                                                         o                e
   se estabilice en el nuevo punto de operaci´n.
                                              o
                                                        to desestabilizador debido al corrimiento de fase
   En la figura (19) muestra una curva t´ ıpica de
                                                        agregado. El t´rmino derivativo D da propiedades
                                                                       e
   este tipo.
                                                        predictivas a la actuaci´n, generando una acci´n
                                                                                o                       o
Se debe calcular los par´metros del modelo de la
                        a                               de control proporcional a la velocidad de cambio
figura (18) a partir de las siguientes f´rmulas:
                                       o                del error. Tiende dar m´s estabilidad al sistema
                                                                                 a
pero suele generar grandes valores en la se˜al n
de control. Varios m´todos emp´
                     e           ıricos pueden us-
arse para determinar los par´metros de un PID
                              a
para una dada aplicaci´n. Sin embargo, el ajuste
                       o
obtenido debe tomarse como un primer paso en
el proceso de dise˜o. Debe prestarse atenci´n al
                   n                         o
particular tipo de estructura de PID disponible
(por ejemplo, est´ndar, serie o paralelo).
                 a


               9. REFERENCIAS
    Camacho O. y Rojas R. Apuntes de Control.
    Publicaciones de la Facultad de ingenier´
                                            ıa.
    ULA 2000. Capitulo 1 al 5
    Kuo Benjam´ Sistemas de Control Auto-
                 ın.
    matico. Ultima Edicion.
    Ogata Katsuhiko. Ingenier´ de Control Mod-
                             ıa
    erna. Tercera Edici´n.
                       o
    Smith Carlos, Corripio Armando. Control
    Autom´tico de Procesos.Tercera Edici´n.
           a                            o

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Introducción a los controladores PID: conceptos básicos y sintonización

  • 1. ´ INTRODUCCION A LOS CONTROLADORES PID Jorge W. Molina Garcia, Daniel A. Pernia, Ender Luzardo Postgrado en Automatizaci´n e Instrumentaci´n o o Facultad de Ingenier´ Universidad de los Andes ıa. Av. Tulio Febres Cordero. M´rida-Venezuela e e-mail: jowimg@hotmail.com, dpernia@ula.ve,eolrc@hotmail.com Resumen: El objetivo de este art´ ıculo es presentar una breve introducci´n a los o sistemas de control autom´tico. En este se estudia el concepto componentes b´sicos a a de un sistema de control, sus modalidades: lazo abierto y lazo cerrado, an´lisis en el a dominio del tiempo y en la frecuencia representando las ecuaciones caracter´ ısticas y las respuestas de modelos de primer y segundo orden. Tambi´n se estudian las e diferentes acciones b´sicas de control, su modelo matem´tico, representaci´n en a a o diagrama de bloques y las respuestas de estos sistemas ante una entrada escal´n. o Haciendo ´nfasis en los controladores del tipo PID para los cuales se presentan los e m´todos de sintonizaci´n de sus par´metros seg´n Ziegler-Nichols. e o a u Keywords: Sistemas de Control, Estado Transitorio y Estacionario, Controladores, Sintonizacion. ´ 1. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS DE La adaptaci´n del comportamiento del sis- o CONTROL tema a las caracter´ ısticas desconocidas o variables con el tiempo 1.1 Sistema de Control Sus aplicaciones son muy diversas pero es es- encial en el control num´rico de las maquinas- e Es el conjunto de dispositivos que colaboran herramientas, industrias de manufactura, indus- en la realizaci´n de una tarea, donde el principio o tria aeroespacial, dise˜o en la industria auto- n b´sico del control es la regulaci´n autom´tica o a o a motriz adem´s en las operaciones industriales co- a gu´ de sistemas din´micos o dispositivos bajo ıa a mo el control de presi´n, temperatura, humedad, o condiciones de estados estacionarios y transito- viscosidad y flujo en la industria de proceso. rios. El uso efectivo de estos resultados depende de varios factores como lo son: 1.2 Componentes Basicos Sistema de Control La realimentaci´n; lo cual hace posible el o establecimiento y mantenimiento de estabili- Un sistema de control basicamente esta com- dad en la operaci´n del sistema o puesto por: La disminuci´n de la sensibilidad de fun- o cionamiento; para limitaciones de dise˜o, n 1. Objetivos de control para variaciones de los par´metros de la plan- a 2. Componentes del sistema de control ta y no linealidades de la planta 3. Resultados o Salidas
  • 2. segun como se muestra en la figura (1). de realimentaci´n a fin de reducir el error y llevar o la salida del sistema a un valor conveniente. Su representacion es la que muestra en la figura (3) Figura 1. Esquema Basico de un Sistema 1.3 Definiciones B´sicas a 1.3.1. Variable Controlada y Manipulada: la variable controlada es la cantidad o condici´n o Figura 3. Sistema de Control en Lazo Cerrado que se mide y se controla, y la manipulada es la cantidad o condici´n que el controlador modifica o para afectar el valor de la variable controlada. 2.3 Comparaci´n entre sistemas en Lazo Abierto o y Lazo Cerrado 1.3.2. Perturbaci´n: se˜al que tiende a afectar o n negativamente el valor de la salida del sistema. 2.3.1. Lazo Abierto La estabilidad del sistema no es un problema 1.3.3. Control Realimentado: se refiere a una importante en este tipo de sistemas y es m´s a operaci´n que en presencia de perturbaciones o f´cil de lograr a tiende a reducir la diferencia entre la salida de Son aplicables cuando se conoce con antic- un sistema y la entrada de referencia siendo esto ipaci´n las entradas y no existen perturba- o de manera continua con base a esta referencia. ciones Se usan componentes relativamente precisos y baratos para obtener el control adecuado 2. SISTEMAS DE CONTROL EN LAZO ABIERTO-LAZO CERRADO 2.3.2. Lazo Cerrado 2.1 Sistemas en Lazo Abierto La estabilidad es una funci´n principal en o este tipo de sistema ya que puede conducir Son sistemas en los cuales la salida no tiene a corregir exceso de errores que producen os- efecto sobre la se˜al de control, es decir, no se mide n cilaciones de amplitud constante y cambiante la salida en estos sistemas ni se realimenta para Son aplicables cuando se presentan perturba- comparar con la entrada. En estos sistemas, la ciones y/o impredecibles en los componentes precisi´n depende de la calibraci´n y la presencia o o del sistema de perturbaciones. Un esquema de este tipo se Emplea mayor cantidad de componentes presenta en la figura (2). siendo estos m´s precisos y por ende m´s a a costosos. La realimentaci´n vuelve la respuesta insen- o sible a las perturbaciones externas y varia- ciones internas en los par´metros del sistema a Una combinaci´n adecuada entre controles de o Figura 2. Sistema de Control en Lazo Abierto lazo abierto y cerrado es menos costosa y ofre- cer´ un desempe˜o satisfactorio del sistema gen- a n eral. 2.2 Sistemas en Lazo Cerrado o Realimentados Es un sistema que mantiene una relaci´n o ´ 3. ANALISIS EN EL DOMINIO DEL TIEMPO preestablecida entre la salida y la entrada de refer- encia compar´ndola y usando la referencia como a El an´lisis en el dominio del tiempo se relaciona a medio de control. En estos sistemas se alimenta con el estudio de la respuesta de los sistemas a la al controlador con la se˜al de error de actuaci´n, n o se˜ales aperiodicas tales como: entrada escal´n, n o la cual es la diferencia entre la entrada y la se˜al n rampa, par´bola e impulso. a
  • 3. 3.1 Respuesta Transitoria y Respuesta en Estado C(s) ωn Estable = 2 2 (2) R(s) s + 2ζωn s + ωn La respuesta en el tiempo en un sistema de donde: control consta de dos partes: la respuesta transi- ζ = Factor de Amortiguamiento Relativo toria y la respuesta en estado estable. Se entiende ωn = Frecuencia Natural no Amortiguada por r´gimen transitorio a la respuesta que va del e estado inicial al estado final; y por r´gimen per- e su representaci´n en diagrama de bloques es o manente a la manera en la cual se comporta la la mostrada en la figura 6. El comportamiento salida del sistema conforme el tiempo (t) tiende a infinito. 3.2 Sistemas de Primer Orden Un t´ıpico sistema de primer orden esta repre- sentado f´ısicamente por un circuito RC, un sis- Figura 6. Diagrama de Bloques de un Sistema de tema t´rmico o algo similar, su relaci´n entrada e o Segundo Orden salida se obtiene mediante: din´mico de un sistema de segundo orden se de- a C(s) 1 scribe en t´rminos de los par´metros ζ y ωn ,en e a = (1) R(s) Ts + 1 base a esto se clasifica el sistema de la siguiente manera: su representaci´n en diagrama de bloques es el o mostrado en la figura (4). A continuaci´n en la o 1. Caso Subamortiguado 0< ζ < 1 2. Caso Cr´ ıticamenteamortiguado ζ = 1 3. Caso Sobr´amortiguado ζ > 1 e A continuaci´n se muestra en la figura (7) la o respuesta t´ ıpica al escal´n unitario de un sistema o de segundo orden. donde: Figura 4. Diagrama de Bloques de un Sistema de Primer Orden figura (5) se muestra un an´lisis de la respuesta a del sistema de entrada escal´n, e impulso unitario. o Figura 7. Respuesta a escalon unitario de un Sistema de Segundo Orden Figura 5. Respuesta a entrada Escal´n e Impulso o Unitario Sistema de Primer Orden 3.3.1. Tiempo de Retardo td : es el tiempo re- querido para que la respuesta alcance la primera vez la mitad del valor final. 3.3 Sistemas de Segundo Orden 3.3.2. Tiempo de Levantamiento tr : es el tiem- La funci´n de transferencia prototipo de un o po requerido para que la respuesta pase del 10 sistema de segundo orden en lazo cerrado es: al 90 porciento, del 5 al 95 porciento o del 0
  • 4. al 100 porciento de su valor final. Para sistemas subamortiguados suele usarse un tiempo de lev- antamiento de 0 a 100 porciento; y para sistemas sobr´amortiguados 10 a 90 porciento. e 3.3.3. Tiempo Pico tp : es el tiempo requerido para que la respuesta alcance el primer pico del Figura 8. Diagrama de Bloques de un Sistema en sobrepaso. el Dominio de la Frecuecia 4.1 Representaci´n Grafica de las Caracter´ o ısticas de la Respuesta en Frecuencia 3.3.4. Sobrepaso m´ximo Mp : es el valor pico a m´ximo de la curva de respuesta medido a partir a La funci´n de transferencia senoidal, funci´n o o de la unidad. Si el valor final en estado estable de compleja de la frecuencia se caracteriza por su la respuesta es diferente de la unidad, es com´n u magnitud y ´ngulo de fase, con la frecuencia co- a usar el porcentaje de sobre paso m´ximo. a mo par´metro. Por lo general se usan representa- a ciones graficas de las funciones de transferencias senoidales: 3.3.5. Tiempo de Asentamiento Ts : es el tiem- 1. Trazas de Bode o Trazas Logar´ıtmicas po que se requiere para que la curva de respues- 2. Traza de Nyquist o Traza Polar ta alcance un rango alrededor del valor final del 3. Traza de Magnitud Logar´ ıtmica contra la tama˜o especificado por el porcentaje absoluto del n Fase valor final y permanezca dentro de el. 4.2 Trazas de Bode ´ Los diagramas de Bode consisten de un par 4. ANALISIS EN EL DOMINIO DEL LA de gr´ficas: una que ofrece la magnitud |G(jω)| a FRECUENCIA contra la frecuencia y la otra que muestra el a ´ngulo de fase φ(jω) contra la frecuencia. Un Se conoce con el t´rmino respuesta en frecuen- e ejemplo de la traza de bode se muestra en la figura cia a la respuesta de un sistema en estado estable (9). Como se muestra en la figura (9)los diagramas a una entrada senoidal. En los m´todos de la e respuesta en frecuencia, la frecuencia de la se˜al n de entrada se var´ en un cierto rango para estu- ıa diar la respuesta resultante. El inter´s de tratar e entradas sinusoidales est´ en que la respuesta del a sistema a estas se˜ales contiene informaci´n sobre n o la respuesta a se˜ales m´s generales. La salida n a en estado estable para una entrada senoidal viene dada por el sistema: C(s) = G(s) (3) R(s) La entrada r(t) es senoidal y se obtiene mediante: r(t) = a sin(ωt) (4) Figura 9. Diagrama de Bode si el sistema estable la salida c(t) se obtiene a de Bode se suelen graficar en ejes especiales: partir de: El eje de abscisas es logar´ ıtmico en ω, es de- cir, lineal en log(ω), donde el logaritmo es de c(t) = b sin(ωt + φ) (5) base 10. As´ se consigue una representaci´n ı o compacta sobre un rango amplio de frecuen- donde: cias. La unidad del eje es la d´cada, es decir, e b = a|G(jω)|, y la distancia entre ω y 10ω para cualquier φ = G(jω) = tan parteimaginariadeG(jω) parterealdeG(jω) valor de ω. La magnitud de la respuesta en frecuencia se su representaci´n en diagrama de bloques es la o mide en decibeles [dB], es decir, unidades de mostrada en la figura (8). 20 log(ω)
  • 5. La fase se mide en escala lineal en radianes o donde: grados. Ki es una constante ajustable su equivalente en funci´n de transferencia es: o ´ ´ 5. ACCIONES BASICAS DE CONTROL U (s) Ki = (10) Empezaremos con una clasificaci´n de los difer- o E(s) s entes controladores industrial: Si se duplica el valor de e(t) el valor de u(t) 1. De dos posiciones o de encendido y apagado varia dos veces mas r´pido, cuando e(t) = 0, el a (on-off) valor de u(t) permanece estacionario es decir se 2. Proporcionales mantiene el valor de la entrada del proceso. En 3. Integrales ocasiones este es denominado tambi´n control de e 4. Proporcionales-Integrales reajuste (reset); su representacion en diagrama de 5. Proporcionales-Derivativos bloques es el representado en la figura (11). 6. Proporcionales-Integrales-Derivativos 5.1 Acci´n de Control Proporcional o Se basa en la relaci´n entre la se˜al de salida o n del controlador u(t) y la se˜al de error e(t) n Figura 11. Diagrama de Bloques de un Contro- u(t) = Kp e(t) (6) lador Integral o su equivalente en funci´n de transferencia se o obtiene aplicando transformada de Laplace 5.3 Acci´n de Control Proporcional-Integral o U (s) = Kp (7) E(s) La acci´n de este controlador se define medi- o ante: donde: t Kp se considera la ganancia proporcional. Kp u(t) = Kp e(t) + e(t)δt (11) Ti Este tipo de controlador puede ser visto como 0 un amplificador con una ganancia ajustable, su representacion es la mostrada en la figura (10). o su equivalente en funci´n de transferencia: o U (s) 1 = Kp (1 + ) (12) E(s) Ti s donde: Kp = Ganancia proporcional Ti = Tiempo Integral Figura 10. Diagrama de Bloques de un Contro- lador Proporcional Ambos par´metros son ajustables, el tiempo a integral ajusta la acci´n de control integral, mien- o tras que un cambio en el valor de la ganancia proporcional, afecta las partes integral y propor- 5.2 Acci´n de Control Integral o cional de la acci´n de control. El inverso de Ti o se denomina velocidad de reajuste, esta indica la El valor de la salida del controlador u(t) se cantidad de veces por minuto que se duplica la cambia a una raz´n proporcional a la se˜al de o n parte proporcional de la acci´n de control; su rep- o error e(t), es decir: resentacion en diagrama de bloques es el mostrado δu(t) en la figura (12). la respuesta ante una entrada = Ki (t) (8) escal´n de un controlador PI se muestra en la o δt figura (13). o bien: t 5.3.1. Efectos del Control Proporcional-Integral u(t) = Ki e(t)δt (9) La aplicaci´n de este tipo de control produce o 0 los siguientes efectos sobre sistema a controlar:
  • 6. su representacion en diagrama de bloques es la mostrada en la figura(14). La magnitud de la Figura 12. Diagrama de Bloques de un Contro- lador Proporcional-Integral Figura 14. Diagrama de Bloques de un Contro- lador Proporcional-Derivativo se˜al de salida de este tipo de acci´n, tambi´n n o e llamada Control de Velocidad, es proporcional a la velocidad de cambio de la se˜al de error. La n constante es el intervalo de tiempo durante el cual la acci´n de la velocidad hace avanzar el efecto o de la acci´n proporcional. La respuesta ante una o entrada escal´n de un controlador PD se muestra o en la figura (15). Figura 13. Respuesta a entrada escal´n de un o Controlador Proporcional-Integral Mejora el amortiguamiento y reduce el sobre paso m´ximo a Incrementa el tiempo de levantamiento Disminuye el ancho de banda Mejora el margen de ganancia y de fase y la magnitud de pico de resonancia Filtra el ruido a alta frecuencia El error en estado estable se mejora con un orden es decir, si el error en estado estable a una entrada dada es constante, el control PI lo reduce a cero. Este tipo de controlador se utiliza general- mente cuando se desea mejorar el error en estado Figura 15. Respuesta a entrada escal´n de un o estacionario. Los sistemas se hacen normalmente Controlador Proporcional-Derivativo mas oscilatorios, si no se ajusta correctamente se puede hacer inestable. 5.4.1. Efectos del Control Proporcional-Derivativo 5.4 Acci´n de Control Proporcional-Derivativa o La aplicaci´n de este tipo de control produce o los siguientes efectos sobre sistema a controlar: Esta acci´n de control se define mediante: o Mejora el amortiguamiento y reduce el so- δe(t) brepaso m´ximo a u(t) = Kp e(t) + Kp Td (13) δt Reduce el tiempo de levantamiento y el tiem- po de asentamiento su funci´n de transferencia es: o Incrementa el ancho de banda U (s) Mejora el margen de ganancia y de fase y la = Kp (1 + Td s) (14) E(s) magnitud de pico de resonancia Puede acentuar el ruido en altas frecuencias donde: No es efectivo para sistemas ligeramente Kp = Ganancia Proporcional amortiguados o inicialmente estables Td = Tiempo Derivativo El error en r´gimen permanente no es afec- e tado a menos que se vari´ con el tiempo e
  • 7. 5.5 Acci´n de Control Proporcional-Integral-Derivativaindustria moderna, controlando m´s del 95 por- o a ciento de los procesos industriales en lazo cerrado. Esta acci´n combinada tiene las ventajas y o efectos de las acciones de control PD y PI, su ecuaci´n viene dada por: o 6.1 Estructura de un PID t Kp δe(t) Para representar la estructura de un contro- u(t) = Kp e(t) + e(t)δt + Kp Td (15) Ti δt lador PID se considera un lazo basico de con- 0 trol SISO (unica entrada, unica salida) el cual se presenta en la figura (18), del cual se deduce las su funci´n de transferencia es: o U (s) 1 = Kp (1 + + Td s) (16) E(s) Ti s donde: Kp = Ganancia Proporcional Ti = Tiempo Integral Td = Tiempo Derivativo Figura 18. Diagrama de Bloques de un lazo basico de control SISO su representacion en diagrama de bloques es la formas estandar de los controladores PID: mostrada en la figura (16). La respuesta ante una 1. Proporcional: KP (s) = Kp (17) 2. Proporcional e Integral: 1 KP I (s) = Kp (1 + ) (18) Ti s Figura 16. Diagrama de Bloques de un Contro- 3. Proporcional y Derivativo: lador Proporcional-Integral-Derivativo Td s KP D (s) = Kp (1 + ) (19) entrada escal´n de un controlador PID ideal se o τd s + 1 muestra en la figura (17) 4. Proporcional, Integral y Derivativo: 1 Td s KP ID (s) = Kp (1 + + ) (20) T i s τd s + 1 5. Serie: Is 1 + Ds s Kserie (s) = Ks (1 + )(1 + (21) s γs Ds s + 1 6. Paralelo: Ip 1 + Ds s Kparalelo (s) = Kp + + (22) s γs Ds s + 1 ´ 7. REGLAS DE SINTONIZACION PARA CONTROLADORES PID Figura 17. Respuesta a entrada escal´n de un Con- o El proceso de seleccionar los par´metros del a trolador Proporcional-Integral-Derivativo controlador que cumplan con las especificaciones de desempe˜o se conoce como sintonizaci´n del n o controlador. Es posible aplicar diversas t´cnicas e ´ 6. CONTROL PID CLASICO de dise˜o con el fin de determinar los par´metros n a del controlador que cumpla las especificaciones en La familia de controladores de estructura fija estado transitorio y en estado estable del sistema o controladores PID, han mostrado ser robustos en lazo cerrado. Ziegler y Nichols sugirieron re- y extremadamente beneficiosos en el control de glas para sintonizar los controladores PID lo cual muchas aplicaciones de importancia en la indus- significa establecer valores Kp , Ti , Td ; basados en tria siendo el m´s ampliamente utilizado en la a la respuestas escal´n experimentales o en valor de o
  • 8. Cuadro 1. Par´metros de controladores a PID seg´n el m´todo de oscilaci´n de u e o Ziegler-Nichols Controlador Kp Ti Td P 0,50Kc PI 0,45Kc Pc /1,2 PID 0,60Kc Pc /2 Pc /8 Kp que se produce en estabilidad marginal cuan- do solo se usa la acci´n de control proporcional. o A continuaci´n se presentan las reglas Ziegler- o Nichols, las cuales son muy convenientes cuando no se conocen los modelos matem´ticos de las a plantas. Figura 19. Respuesta al escal´n (Curva de Reac- o ci´n) en lazo abierto de la planta o Cuadro 2. Par´metros de controladores a 7.1 Metodo de Oscilaci´n de Ziegler Nichols o PID seg´n el m´todo de la curva de u e reacci´n de Ziegler-Nichols o Este m´todo propone un arreglo para deter- e minar los valores de ganancia proporcional Kp , Controlador Kp Ti Td tiempo integral Ti , y tiempo derivativo Td , con P γ0 /K0 τ0 base en la respuesta transitoria de una planta PI 0,9γ0 /K0 τ0 3τ0 PID 1,2γ0 /K0 τ0 2τ0 0,5τ0 especifica. El procedimiento es el siguiente: 1. Aplicar a la planta s´lo control proporcional o y ∞ − y0 ko = , (23) con ganancia Kp peque˜a.n u∞−u0 2. Aumentar el valor de Kp hasta que el lazo τ o = t 1 − t0 , (24) comience a oscilar. La oscilaci´n debe ser o lineal y debe detectarse en la salida del con- γo = t2 − t1 , (25) trolador u(t). 3. Registrar la ganancia cr´ ıtica Kp ,Kc y el Los par´metros del controlador PID propuestos a per´ıodo de oscilaci´n Pc de u(t) a la salida o por Ziegler y Nichols a partir de la curva de del controlador. reacci´n se determinan a trav´s de los valores del o e 4. Ajustar los par´metros del controlador PID a cuadro (2). de acuerdo al cuadro 1). 8. CONCLUSIONES 7.2 M´todo de la Curva de reacci´n de Ziegler-Nichols e o Los controladores PID se usan ampliamente en Muchas plantas en la pr´ctica pueden describirse a control industrial, desde una perspectiva moder- satisfactoriamente con un modelo de la forma de na, un controlador PID es simplemente un contro- la figura (18). Una versi´n linealizada cuantita- o lador de segundo orden con integraci´n. Hist´ri- o o tiva de este modelo puede obtenerse mediante camente, los controladores PID se ajustaban en un experimento a lazo abierto con el siguiente t´rminos de sus componentes P, I y D. Su es- e procedimiento: tructura ha mostrado emp´ ıricamente ofrecer su- ficiente flexibilidad para dar excelentes resultados 1. Llevar manualmente la planta a lazo abierto en muchas aplicaciones. El t´rmino b´sico en el e a a un punto de operaci´n normal manipulando o controlador PID es el proporcional P, que origina u(t). Supongamos que la planta se estabiliza una actuaci´n de control correctiva proporcional o en y(t) = y0 para u(t) = u0 . el error. El t´rmino integral I brinda una cor- e 2. En un instante inicial t0 aplicar un cambio recci´n proporcional a la integral del error. Esta o escal´n en la entrada, desde u0 a u∞ (el salto o acci´n tiene la ventaja de asegurar que en ultima o ´ debe estar entre un 10 a 20 porciento del instancia se aplicar´ suficiente acci´n de control a o valor nominal). para reducir el error de regulaci´n a cero. Sin o 3. Registrar la respuesta de la salida hasta que embargo, la acci´n integral tambi´n tiene un efec- o e se estabilice en el nuevo punto de operaci´n. o to desestabilizador debido al corrimiento de fase En la figura (19) muestra una curva t´ ıpica de agregado. El t´rmino derivativo D da propiedades e este tipo. predictivas a la actuaci´n, generando una acci´n o o Se debe calcular los par´metros del modelo de la a de control proporcional a la velocidad de cambio figura (18) a partir de las siguientes f´rmulas: o del error. Tiende dar m´s estabilidad al sistema a
  • 9. pero suele generar grandes valores en la se˜al n de control. Varios m´todos emp´ e ıricos pueden us- arse para determinar los par´metros de un PID a para una dada aplicaci´n. Sin embargo, el ajuste o obtenido debe tomarse como un primer paso en el proceso de dise˜o. Debe prestarse atenci´n al n o particular tipo de estructura de PID disponible (por ejemplo, est´ndar, serie o paralelo). a 9. REFERENCIAS Camacho O. y Rojas R. Apuntes de Control. Publicaciones de la Facultad de ingenier´ ıa. ULA 2000. Capitulo 1 al 5 Kuo Benjam´ Sistemas de Control Auto- ın. matico. Ultima Edicion. Ogata Katsuhiko. Ingenier´ de Control Mod- ıa erna. Tercera Edici´n. o Smith Carlos, Corripio Armando. Control Autom´tico de Procesos.Tercera Edici´n. a o