Control PID: ejemplo de un control de nivel

El control PID en Studio 5000 o controlador proporcional, integral y derivativo, es un mecanismo muy utilizado en la industria para controlar sistemas físicos con retroalimentación.

Para poder aplicar el control PID es necesario que el sistema en cuestión cuente al menos con una variable de proceso y una variable de control.

La variable de proceso, que por lo regular es algún tipo de sensor, es la que nos dará la retroalimentación de lo que está sucediendo en el proceso.

La variable de control es la que se encarga de modificar el proceso, ocasionando un cambio en la variable de proceso.

Ejemplo de un control PID

Imaginemos que queremos aplicar un control PID para regular el nivel de agua de un depósito de agua, el cual tiene dos bombas hidráulicas que controlan el caudal de entrada y salida.

En este caso la potencia de la bomba que proporciona la entrada de agua al depósito sería nuestra variable de control.

Por otro lado la cantidad de agua del depósito obtenida mediante un sensor de nivel representa nuestra variable de proceso.

Por último, la segunda bomba de agua representa una variable fisica extra a la cual el control PID debiera reaccionar para mantener los valores deseados.

Ejemplo de un control PID

En la imagen anterior podemos ver la simulación del control de nivel antes descrito en FactoryTalk View.

Como podrás observar, el agua tiene un nivel del 80% y el caudal tanto de entrada como salida es del 60%, lo cual mantiene el agua al mismo nivel.

Configuración básica del control PID en Studio 5000

Para controlar el sistema descrito con un PID en Studio 5000, será necesario configurar la instrucción PID con los parámetros mínimos.

Configuración básica del control PID en Studio 5000

En la imagen anterior se muestra la configuración básica del control PID en Studio 5000 utilizado para la animación descrita en la sección anterior, veamos cada uno de los parámetros:

  1. PID: Es la Tag de control que la instrucción PID utilizará para controlar todos los parámetros la cual deberá ser de tipo «PID».
  2. Process Variable: Aquí se deberá agregar la variable que nos da la retroalimentación física del proceso, en este caso es un sensor de nivel.
  3. Control Variable: La variable de control es la salida del PLC que modificará el sistema, en este caso es la bomba 1, la cual a su vez agrega agua al depósito para aumentar el nivel del mismo.
  4. Setpoint: Esta variable es la que le indica al control PID el valor que se desea para la variable de proceso (nivel del agua).

Los anteriores son los puntos básicos a configurar, sin embargo deberás modificar otros para que la instrucción funcione correctamente

Estos parámetros los puedes configurar desde la tag del PID (Prueba_PID) o puedes utilizar el Setup del PID al dar clic en el icono de tres puntos como se indica en la siguiente imagen.

Configuración básica del control PID en Studio 5000_2

En esta ventana se pueden configurar algunos de los parámetros del PID de los cuales analizaremos los principales, mismos que son:

  1. Proportional Gain (Kp)
  2. Integral Gain (Ki)
  3. Derivative Time (Kd).
Configuración básica del control PID en Studio 5000_3

Estos parámetros son los parámetros principales del control PID y tienen sus bases matemáticas con cierto grado de complejidad, sin embargo en esta ocasión nos enfocaremos en analizar su funcionalidad de forma empírica.

Comportamiento de un sistema al modificar el control PID

Una forma práctica de calibrar y entender cómo se comportan los tres parámetros principales de un control PID es analizar una simulación controlada.

A continuación se muestran tres imágenes de una simulación en FactoryTalk View con gráficas Trend, cada una con el dominio de uno de los tres parámetros para analizar su comportamiento.

Comportamiento de un sistema al modificar el control PID

En esta imagen puedes observar el resultado de un cambio de setpoint desde un 10% hasta un 80% en 15 segundos con una ganancia proporcional dominante (10,1,1).

Se puede observar como la estabilización es rápida y prácticamente no oscila, llegando al setpoint en unos cuantos segundos.

Comportamiento de un sistema al modificar el control PID_2

La ilustración anterior muestra el mismo cambio de setpoint y el mismo tiempo de test pero esta vez con una ganancia integral dominante (1,10,1).

Como podrás observar el sistema tiene varias oscilaciones muy rápidas, sin embargo la estabilización se logra solo unos segundos después que el ejemplo anterior.

Comportamiento de un sistema al modificar el control PID_3

La imagen del último ejemplo muestra un tiempo derivativo dominante (1,1,10) con el mismo cambio de setpoint (de 10% a 80%) sin embargo el lapso de la gráfica es de 40 segundos.

Como podrás observar, al igual que con la ganancia integral dominante, en esta ocasión vemos varias oscilaciones pero esta vez son más suaves y prolongadas, teniendo que transcurrir 40 segundos para estabilizarse.

Video Tutorial y Descarga del Simulador

Material exclusivo para miembros del Programa Premium, si ya eres miembro, por favor accede a tu cuenta aquí.

Conclusiones

En ocasiones nos vemos abrumados por ciertas tecnicas o metodos matemáticos cuando en verdad todo está relacionado con la vida real, para muestra el control PID.

Solo necesitas utilizarlo, «jugar» con él un poco y entender cómo se comporta, no es estrictamente necesario conocer sus bases matemáticas salvo en ciertas aplicaciones.

Si estas interesado seguir aprendiendo y convertirte en un programador de PLC experto, suscríbete hoy a mi Programa Premium y aprende de mi portafolio de cursos mediante el método basado en Retos.

No olvides compartir.

¡Saludos y mucho éxito!!!

3 comentarios

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *