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¿Qué es un Controlador PID (Controlador Proporcional-Integral-Derivativo): cómo funciona y para qué se utiliza?

por Erick Roch Moraguez

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Image Source: Unsplash‍

Tabla de contenidos

Si alguna vez se ha preguntado cómo las máquinas pueden mantener un estado estable incluso cuando los factores externos cambian constantemente, probablemente haya oído hablar del controlador PID. El controlador Proporcional-Integral-Derivativo es un sofisticado mecanismo de realimentación muy utilizado en las industrias de fabricación, robótica y automatización. Básicamente, se trata de un lazo de control que mide la diferencia entre un valor de consigna deseado y la salida real de un sistema y, a continuación, ajusta la entrada del sistema en consecuencia.

De este modo, un controlador PID puede ayudar a estabilizar el rendimiento de un sistema, reducir las oscilaciones y mejorar la precisión. Pero, ¿cómo funciona exactamente y cuáles son algunas de las aplicaciones prácticas de esta potente tecnología? En este artículo, vamos a echar un vistazo más de cerca a los controladores PID, su funcionamiento interno y algunos de sus usos más comunes.

Introducción al controlador PID

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Un controlador PID es un sistema de control automático que utiliza tres componentes principales, Proporcional, Integral y Derivativo, para ajustar la entrada a un sistema basándose en la diferencia entre la consigna deseada y la salida real. El controlador supervisa continuamente la salida del sistema y calcula el error entre la consigna deseada y la salida real.

A continuación, aplica una señal de corrección a la entrada del sistema para reducir el error y acercar la salida a la consigna deseada. El controlador PID se utiliza mucho en sistemas de control industrial, robótica y automatización.

Entender los tres componentes del controlador PID – Proporcional, Integral y Derivativo.

El componente Proporcional en el controlador PID proporciona una salida que es proporcional al error entre la consigna deseada y la salida real. La ganancia proporcional determina la intensidad de la señal de corrección aplicada a la entrada del sistema. Una ganancia proporcional más alta dará como resultado una señal de corrección más fuerte y un tiempo de respuesta más rápido, pero también puede conducir a la sobreoscilación y la inestabilidad. El componente Integral proporciona una salida que es proporcional al error acumulado en el tiempo.

La ganancia integral determina la velocidad a la que se corrige el error acumulado y ayuda a eliminar los errores de estado estacionario. El componente Derivativo proporciona una salida que es proporcional a la tasa de cambio del error en el tiempo. La ganancia Derivativa ayuda a reducir los excesos y las oscilaciones anticipando los cambios en el error y aplicando una señal de corrección antes de que el error sea demasiado grande.

¿Cómo funciona un controlador PID?

Un regulador PID supervisa continuamente la salida de un sistema y calcula el error entre la consigna deseada y la salida real. A continuación, el controlador aplica una señal de corrección a la entrada del sistema para reducir el error y acercar la salida a la consigna deseada. Los componentes proporcional, integral y derivativo del regulador trabajan conjuntamente para ajustar la entrada al sistema en función del error actual, el error acumulado a lo largo del tiempo y la velocidad de cambio del error.

El controlador PID es un sistema de control de bucle cerrado, lo que significa que supervisa continuamente la salida del sistema y ajusta la entrada para mantener un estado estacionario.

Ventajas de utilizar un controlador PID

El controlador PID es una potente herramienta para controlar sistemas complejos en tiempo real. Es una forma eficaz de estabilizar el rendimiento de un sistema, reducir las oscilaciones y mejorar la precisión. El controlador PID se utiliza ampliamente en sistemas de control industrial, robótica y automatización debido a su capacidad para manejar una amplia gama de aplicaciones y su facilidad de uso.

Además, es relativamente barato y puede implementarse utilizando hardware y software sencillos. El controlador PID es una tecnología probada que se ha utilizado durante muchos años en una gran variedad de aplicaciones.

Desventajas de utilizar un controlador PID

El controlador PID tiene algunas limitaciones y puede no ser adecuado para todas las aplicaciones. Los componentes proporcional, integral y derivativo deben ajustarse cuidadosamente para lograr un rendimiento óptimo, y esto puede ser un proceso que consume tiempo. El controlador PID también puede ser sensible al ruido y a otros factores externos que pueden afectar a la salida del sistema.

En algunos casos, el controlador PID puede no ser capaz de manejar sistemas complejos con múltiples entradas y salidas. Por último, el controlador PID es un sistema de control de bucle cerrado, lo que significa que sólo puede responder a los cambios en la salida del sistema y no puede anticiparse a los cambios en la entrada.

Aplicaciones del controlador PID en diferentes industrias

El controlador PID se utiliza ampliamente en una variedad de industrias, incluyendo la fabricación, la robótica y la automatización. En la fabricación, el controlador PID se utiliza para controlar la temperatura, la presión y el caudal de los fluidos en los procesos químicos. En robótica, el controlador PID se utiliza para controlar la posición, velocidad y aceleración de brazos robóticos y otros sistemas mecánicos.

En automatización, el controlador PID se utiliza para controlar la velocidad y dirección de motores y otras máquinas. El controlador PID es una tecnología versátil que puede utilizarse en muchas aplicaciones diferentes.

Tipos de controladores PID

Hay varios tipos de controladores PID, incluyendo controladores analógicos y digitales, controladores de bucle único y multibucle, y controladores on-off y continuos. Los controladores analógicos utilizan circuitos analógicos para implementar el algoritmo PID, mientras que los controladores digitales utilizan microprocesadores y software.

Los reguladores de bucle único controlan una única variable del proceso, mientras que los reguladores multibucle controlan múltiples variables del proceso. Los reguladores On-off activan y desactivan la salida cuando el error supera un umbral establecido, mientras que los reguladores continuos proporcionan una salida continua que varía con el error.

PID Tuning – ¿Cómo configurar un controlador PID?

La sintonización PID es el proceso de ajuste de las ganancias proporcional, integral y derivativa de un controlador PID para lograr un rendimiento óptimo. El proceso de sintonización implica medir la respuesta del sistema a un cambio de paso en el punto de consigna y ajustar las ganancias PID para lograr una respuesta estable.

Existen varios métodos para sintonizar un controlador PID, como el método de Ziegler-Nichols, el método de Cohen-Coon y el método de sintonización manual. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, y la elección del método dependerá de la aplicación específica.

Problemas comunes con los controladores PID y cómo resolverlos

Los controladores PID pueden experimentar varios problemas comunes, incluyendo sobreoscilación, oscilaciones e inestabilidad. La sobreoscilación se produce cuando la salida del sistema sobrepasa el punto de consigna deseado antes de estabilizarse. Las oscilaciones se producen cuando la salida del sistema oscila en torno al valor de consigna.

La inestabilidad se produce cuando la salida del sistema se vuelve inestable y oscila entre dos o más estados. Estos problemas pueden resolverse ajustando las ganancias del PID, cambiando la consigna o añadiendo un filtro al sistema.

Conclusión y futuro de los controladores PID

Los controladores PID son una potente tecnología que se ha utilizado durante muchos años en diversas aplicaciones. Son una forma eficaz de estabilizar el rendimiento de un sistema, reducir las oscilaciones y mejorar la precisión. El controlador PID es una tecnología probada que seguirá siendo una herramienta importante para controlar sistemas complejos en tiempo real. Con los avances en hardware y software, el controlador PID será aún más potente y versátil en el futuro.

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