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Ajuste de lazos PID

Un lazo de control mal ajustado escribe su falla en la forma del PV después de un escalón en el punto de ajuste. El proporcional es velocidad pero deja un desplazamiento; el integral quita el desplazamiento pero de más oscila; el derivativo amortigua pero amplifica el ruido; y la acción tiene que estar bien o el lazo se desboca. Seis lazos, cuatro lecturas — forma de la respuesta, ganancia, reset, derivativo — incluyendo los dos pares que se parecen: una oscilación contra un desboque por acción invertida, y un desplazamiento proporcional contra un arrastre lento.

Por Francisco Padilla Interactiva Nivel técnico

Antes de empezar — resumen del trabajo

Un controlador PID trae tres términos y cada uno arregla algo distinto. El proporcional (P / ganancia) reacciona al error de este momento — hace rápido el lazo, pero la P sola deja un desplazamiento permanente. El integral (I / reset) va quitando ese desplazamiento con el tiempo — de más y el lazo oscila o se pone lento. El derivativo (D / rate) amortigua y se adelanta — de más y amplifica el ruido de la medición. Y antes que nada de eso, la acción del controlador (reversa o directa) tiene que estar bien, o el lazo se desboca en lugar de asentarse.

Lea primero la forma de la respuesta — subida, sobretiro, oscilación, desplazamiento, traqueteo, o desboque
La P es velocidad: demasiada ganancia oscila alrededor del punto de ajuste, muy poca sale lenta
La I quita el desplazamiento: sin integral queda un desplazamiento permanente, un reset muy lento sale lento
La D amortigua pero amplifica el ruido — y una acción equivocada (directa contra reversa) lleva el lazo a un límite

La forma de la respuesta le pone nombre a la falla

Un lazo PID es una conversación entre tres términos, y cuando el lazo se porta mal la forma más rápida de saber por qué es meterle un escalón al punto de ajuste y ver la forma con que regresa la variable de proceso. Un lazo limpio sube, se pasa tantito, y se asienta en el punto de ajuste. Cada falla de ajuste deforma esa figura de una manera característica: demasiada ganancia proporcional lo pone a oscilar, sin integral se queda estacionado corto, muy poca ganancia lo hace arrastrarse, demasiado derivativo lo pone a traquetear, y una acción equivocada lo desboca. Aprenda a leer primero la forma y ya redujo la falla a un solo término antes de voltear a ver un solo número.

El proporcional es velocidad — y deja un desplazamiento

El término proporcional actúa sobre el error de este momento: entre más grande el hueco entre el PV y el punto de ajuste, más fuerte empuja el controlador. Eso es lo que hace rápido a un lazo. Pero el control de puro proporcional trae una falla de nacimiento — necesita un error permanente para sacar cualquier salida, así que siempre se asienta tantito corto del punto de ajuste. Ese hueco que queda es el desplazamiento. Súbale a la ganancia y el desplazamiento se achica pero el lazo empieza a pasarse y, después de cierto punto, a oscilar: el PV se columpia de un lado a otro cruzando el punto de ajuste, y si la ganancia está bastante alta los columpios crecen en lugar de irse apagando. Demasiada ganancia oscila; muy poca sale lenta. La ganancia es el acelerador, no todo el motor.

El integral quita el desplazamiento — con medida

El término integral (reset) es el que por fin sienta el PV en el punto de ajuste. Va acumulando el error con el tiempo y sigue empujando la salida hasta que se acaba el desplazamiento — así que un lazo que se asienta bien firme pero siempre unos puntos porcentuales corto casi siempre trae faltante el integral. El reset se mide en minutos por repetición (o su inverso, repeticiones por minuto); un reset más rápido cierra el desplazamiento más pronto. Pero el integral hay que usarlo con medida: demasiado reset (muy rápido) enrolla el lazo y lo pone a oscilar, y por raro que suene un reset muchísimo más lento junto con una ganancia baja pone lento el lazo — se arrastra hacia el punto de ajuste y tarda un siglo en llegar. El proporcional lo acerca rápido; el integral lo deja exacto.

Nota de campo — dos lazos que los dos fallan el punto de ajuste, arreglados al revés uno del otro

Un lazo se asienta abajo del punto de ajuste y no quiere subir el último tramo. Hay dos razones muy distintas, y el remedio de una no le sirve de nada a la otra. Si el PV se asienta rápido y ahí se queda corto para siempre — plano, sin volverse a mover — el lazo no trae integral: es un desplazamiento de puro proporcional, y el arreglo es prender el reset. Si en cambio el PV sigue arrastrándose despacio hacia el punto de ajuste y llegaría si usted esperara lo suficiente, no es ningún desplazamiento — está lento, la ganancia está muy baja, y el arreglo es más ganancia y un reset más rápido. El mismo síntoma — el PV abajo del punto de ajuste — fallas opuestas. Fíjese si la traza ya se detuvo o si sigue moviéndose, y revise si el reset está prendido. Con esa sola mirada sabe cuál de los dos lazos tiene.

El derivativo amortigua — y amplifica el ruido

El término derivativo (rate) actúa sobre qué tan rápido está cambiando el error, así que se adelanta: empuja en contra de un movimiento rápido antes de que el error se haga grande, y le agrega amortiguamiento a un lazo lento y de mucha inercia como un proceso grande de temperatura. Bien usado, le deja correr más ganancia sin oscilar. Mal usado, es un problema. Como el derivativo responde a la rapidez de cambio de la señal, multiplica el ruido de la medición — con un PV ruidoso un derivativo alto pone la salida a traquetear, moviendo la válvula a brincos por el ruido en lugar de por movimiento real del proceso, y eso acaba rápido con la empaquetadura y los actuadores. Muchos lazos corren mejor sin nada de derivativo. Cuando la salida anda zumbando, sospeche de demasiado derivativo con una señal ruidosa, y filtre la medición antes de agregarle derivativo.

Confirme primero la acción, o nada de lo demás importa

Antes de moverle a la ganancia, al reset o al derivativo, una cosa tiene que estar bien: la acción del controlador. Un controlador de acción reversa baja su salida cuando el PV sube arriba del punto de ajuste; uno de acción directa la sube. Cuál necesita un lazo depende del proceso — si más salida lleva el PV para arriba o para abajo — y equivocarse convierte la retroalimentación negativa en positiva. Un lazo con la acción equivocada no oscila y no se asienta: se desboca, llevando el PV en un solo sentido, sin dar vuelta, hasta que se estrella contra un límite. Ese desboque de un solo sentido hasta el tope, sin nada de oscilación, no se confunde una vez que ya lo vio, y ningún ajuste de ganancia ni de reset lo va a arreglar — solo corregir la acción. Es lo primero que hay que confirmar en cualquier lazo que no se quiera portar bien.

La disciplina

Lea primero la forma de la respuesta, luego los términos en orden — ganancia, reset, derivativo — y confirme la acción. Un asentamiento rápido en el punto de ajuste está sano. Una oscilación que crece alrededor del punto de ajuste es demasiada ganancia. Un desplazamiento fijo abajo del punto de ajuste es falta de integral. Un arrastre lento que nunca se pasa es muy poca ganancia y un reset muy lento. Una salida traqueteando es demasiado derivativo con un PV ruidoso. Y un desboque de un solo sentido hasta un límite es una acción invertida. Seis formas, cuatro lecturas, un lazo sano y cinco fallas — empate la forma con el término que está fuera de rango y el lazo le dice exactamente qué necesita.