SISTEMAS AUTOMÁTICOS: TIPOS DE CONTROLADORES

Se define controlador o regulador como el elemento encargado de mejorar la respuesta del sistema a la señal generada por el comparador. Recibe la señal de error, interpreta dicho error y actúa para compensarlo.

Control Proporcional (P):

El control proporcional es como una respuesta directa a una situación. Imagina que estás ajustando el volumen de tu música. Si está demasiado bajo, simplemente lo aumentas. Si está demasiado alto, lo bajas. Pero aquí está el truco: cuanto más lejos esté el volumen del nivel deseado, más rápido te mueves para ajustarlo.

En términos de sistemas de control, esto significa que la acción del control proporcional es directamente proporcional al error entre la salida deseada y la salida real del sistema. Si el error es grande, el control se ajusta rápidamente; si el error es pequeño, el ajuste es más lento.

Ejemplo de control P:

Un ejemplo sencillo de un control proporcional (P) utilizando un termostato para mantener una habitación a una temperatura deseada:

• Tienes un termostato en una habitación y deseas mantener la temperatura constante en 20ºC. El termostato mide la temperatura actual de la habitación y la compara con el valor deseado de 20 grados.
• Medición inicial: La temperatura actual de la habitación es de 18ºC, por lo que hay un error de 2ºC (20 – 18).
• Acción del control proporcional: El control proporcional ajusta la salida del sistema de calefacción o refrigeración en función del error. Si la temperatura es menor que la deseada, el sistema de calefacción se activa; si es mayor, el sistema de refrigeración se activa.
• En este caso, como la temperatura actual es más baja que la deseada, el sistema de calefacción se enciende. La velocidad a la que se calienta la habitación depende del valor de la constante proporcional del controlador (denominada ganancia).
• Supongamos que la ganancia del controlador es alta, lo que significa que el sistema de calefacción aumenta rápidamente la temperatura.
• Evaluación continua: A medida que la habitación se calienta, la temperatura aumenta gradualmente. El termostato sigue comparando la temperatura actual con el valor deseado y ajustando la salida del sistema de calefacción en consecuencia.
• Si la temperatura alcanza los 20 grados Celsius, el termostato apaga el sistema de calefacción, ya que el error es cero. Si la temperatura continúa aumentando por encima de 20 grados, el termostato activaría el sistema de refrigeración para mantenerla estable.

En resumen, el control proporcional (P) ajusta la salida del sistema en proporción al error entre la salida deseada y la salida real, lo que permite mantener la temperatura de la habitación cerca del valor deseado de manera más rápida y eficiente.

Control Proporcional Integral (PI):

Un sistema de control PI, es un tipo de controlador que combina características proporcionales e integrales para mejorar la precisión y la estabilidad del sistema de control.

Ahora, imagina que estás tratando de mantener una habitación a una temperatura constante. No solo quieres que el termostato reaccione cuando la temperatura suba o baje, sino que también quieres que corrija cualquier diferencia acumulada con el tiempo. Esto es lo que hace el control integral.

En un sistema de control PI, además de responder al error actual, también se tiene en cuenta el historial de errores acumulados. Así, si el sistema ha estado desviado durante un tiempo, el control integral aumenta su acción para corregir esa desviación acumulada.

Ejemplo de control PI:

Imagina que estás diseñando un sistema de control para mantener el nivel de agua en un tanque a un valor deseado. Para simplificar, supongamos que tienes una válvula que controla la entrada de agua al tanque y un sensor de nivel de agua para medir continuamente el nivel actual.

• Medición del nivel de agua: Mide el nivel actual de agua en el tanque usando el sensor de nivel.
• Referencia del nivel de agua deseado: Establece el nivel deseado al que quieres mantener el agua en el tanque.
• Comparación del nivel de agua medido con el deseado: Compara el nivel de agua medido con el nivel deseado. Si el nivel de agua es menor que el nivel deseado, significa que necesitas más agua en el tanque.
• Acción de control proporcional e integral: Aquí es donde entra en juego el control PI. La acción proporcional ajusta la velocidad de apertura de la válvula en función de la diferencia entre el nivel de agua medido y el nivel deseado, de manera similar al controlador P. Pero además, la acción integral acumula la diferencia a lo largo del tiempo y utiliza esta información para ajustar la salida del controlador. Esto significa que si hay un error persistente (por ejemplo, el nivel de agua se mantiene por debajo del nivel deseado durante un período prolongado), la acción integral aumentará gradualmente la apertura de la válvula para corregir el error.
• Retroalimentación continua: El sistema sigue monitoreando el nivel de agua y ajustando la apertura de la válvula según sea necesario para mantener el nivel de agua tan cercano como sea posible al nivel deseado.

En resumen, el controlador PI ofrece un mejor rendimiento que un controlador proporcional simple al corregir errores persistentes y mejorar la estabilidad del sistema de control.

Control Proporcional Derivativo (PD):

Un sistema de control PD, es un tipo de controlador que combina características proporcionales y derivativas para mejorar la respuesta del sistema de control.

Ahora, piensa en un conductor que esté manejando en una carretera con muchas curvas. No solo mira la posición actual del volante, sino que también considera cómo está cambiando esa posición. Si ve que está girando demasiado rápido hacia un lado, ajusta suavemente para evitar un giro brusco. Eso es básicamente lo que hace el control derivativo.

En el control derivativo, se considera la tasa de cambio del error. Si el error está cambiando rápidamente, el control derivativo aplica una corrección para suavizar esos cambios bruscos y evitar oscilaciones excesivas.

Ejemplo de control PD:

Imagina que estás diseñando un sistema de control para mantener la velocidad de un motor a un valor deseado. Para simplificar, supongamos que tienes un motor eléctrico controlado por un variador de frecuencia y un sensor de velocidad para medir continuamente la velocidad actual del motor.

• Medición de la velocidad del motor: Comienza midiendo la velocidad actual del motor usando el sensor de velocidad.
• Referencia de velocidad deseada: Establece la velocidad deseada a la que quieres mantener el motor.
• Comparación de la velocidad medida con la deseada: Comparas la velocidad medida con la velocidad deseada. Si la velocidad medida es menor que la velocidad deseada, significa que necesitas aumentar la velocidad del motor.
• Acción de control proporcional y derivativa: Aquí es donde entra en juego el control PD. La acción proporcional ajusta la salida del controlador en función de la diferencia entre la velocidad medida y la velocidad deseada, de manera similar al controlador P. Pero además, la acción derivativa tiene en cuenta la tasa de cambio de la señal de error. Si la velocidad del motor está aumentando rápidamente, la acción derivativa aumentará la respuesta del controlador para anticipar y compensar el cambio.
• Retroalimentación continua: El sistema sigue monitoreando la velocidad del motor y ajustando la salida del controlador según sea necesario para mantener la velocidad tan cercana como sea posible a la velocidad deseada.

En resumen, el controlador PD ofrece una mejor respuesta transitoria que un controlador proporcional simple al anticipar los cambios en el sistema y ajustar la salida del controlador en consecuencia. Esto puede ser útil en aplicaciones donde se requiere una respuesta rápida y precisa a cambios en la demanda.

Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID):

Un sistema de control PID, es un tipo de controlador que combina características proporcionales, integrales y derivativas para mejorar la respuesta y la estabilidad del sistema de control.

Imagina un piloto automático en un avión. No solo necesita ajustar la altura para mantener el nivel de vuelo, sino que también debes corregir cualquier desviación lateral y mantener una velocidad constante. Eso es lo que hace el control PID.

El control PID combina los beneficios del control proporcional, integral y derivativo en un solo sistema. Así, puede responder rápidamente a los cambios, corregir desviaciones acumuladas y suavizar las oscilaciones, todo al mismo tiempo.

Ejemplo de control PID:

Supón que tienes un horno eléctrico controlado por un termostato y un sensor de temperatura para medir continuamente la temperatura dentro del horno.

• Medición de la temperatura: Comienza midiendo la temperatura actual dentro del horno utilizando el sensor de temperatura.
• Referencia de temperatura deseada: Establece la temperatura deseada a la que quieres mantener el horno.
• Comparación de la temperatura medida con la deseada: Compara la temperatura medida con la temperatura deseada. Si la temperatura medida es menor que la temperatura deseada, significa que necesitas aumentar la temperatura del horno.
• Acción de control proporcional ajusta la salida del controlador en función de la diferencia entre la temperatura medida y la temperatura deseada, de manera similar al controlador P.
• La acción integral acumula el error a lo largo del tiempo y utiliza esta información para ajustar la salida del controlador. Esto significa que si hay un error persistente (por ejemplo, el horno se mantiene por debajo de la temperatura deseada durante un período prolongado), la acción integral aumentará gradualmente la salida del controlador para corregir el error.
• La acción derivativa tiene en cuenta la tasa de cambio del error. Si la temperatura del horno está aumentando o disminuyendo rápidamente, la acción derivativa ajustará la salida del controlador para anticipar y compensar estos cambios.
• Retroalimentación continua: El sistema sigue monitoreando la temperatura dentro del horno y ajustando la salida del controlador PID según sea necesario para mantener la temperatura tan cercana como sea posible a la temperatura deseada.

En resumen, el controlador PID ofrece una respuesta rápida y estable al sistema de control al combinar características proporcionales, integrales y derivativas para corregir errores, eliminar el desplazamiento persistente y anticipar cambios en el sistema. Esto lo hace ampliamente utilizado en una variedad de aplicaciones de control de procesos.