Simulador de regulación PID

Un PID es lo que mantiene la temperatura de un horno, el nivel de un depósito o la presión de una red aunque cambien las condiciones. Ajustarlo a ojo en la máquina es lento y a veces peligroso. Aquí puedes probar en un horno eléctrico y en un depósito de agua qué hace cada acción (P, I y D), cómo se hace la prueba en lazo abierto para ajustarlo y qué pasa con un ajuste agresivo, sin el error permanente de la acción proporcional o sin antisaturación.

Cómo se usa

• Proceso: un horno lento, con mucho tiempo muerto, o un depósito rápido. El tiempo va acelerado: en el horno, un segundo de pantalla son 10 segundos reales.
• Ajuste de partida: cuatro ajustes típicos para comparar. Si mueves Kp, Ti o Td, pasa a «Personalizado».
• Automático o manual: en automático manda el PID; en manual mueves tú la salida, como en la prueba de puesta en marcha.
• Gráfica: arriba, la medida y la consigna; abajo, la salida del regulador. Los recuadros miden la sobreoscilación y el tiempo de estabilización del último cambio.

El lazo de regulación

Un lazo tiene cuatro piezas: la medida (PV, por ejemplo la temperatura que da una sonda), la consigna (SP, lo que queremos), el regulador, que compara las dos, y el actuador, que recibe la salida del regulador (CV, de 0 a 100 %): un relé estático que alimenta las resistencias, una válvula, un variador. La diferencia entre consigna y medida es el error, y todo el trabajo del PID consiste en llevarlo a cero y mantenerlo ahí cuando algo cambia.

Las tres acciones

• Proporcional (P): la salida es proporcional al error, multiplicado por la ganancia Kp. Cuanto mayor es Kp, más fuerte reacciona. Pero un regulador solo P necesita que haya error para dar salida, así que deja siempre un error permanente. Pruébalo con el ajuste «Solo P».
• Integral (I): va sumando el error a lo largo del tiempo y sigue empujando mientras quede error, aunque sea pequeño. Es la que lo elimina del todo. Su ajuste es el tiempo integral Ti: cuanto menor es Ti, más fuerte es la integral, y si es demasiado fuerte, el lazo oscila.
• Derivativa (D): reacciona a la velocidad con que cambia la medida y frena la subida antes de llegar, lo que reduce la sobreoscilación en procesos lentos como un horno. Amplifica el ruido de la medida, por eso en la mayoría de lazos de caudal, nivel o presión no se usa, y en este simulador se aplica sobre la medida y con un filtro, como hacen los reguladores industriales.

En la industria, la gran mayoría de lazos son PI. La D se reserva para temperaturas y procesos lentos con mucho retardo.

Cómo se ajusta: la prueba en lazo abierto

El método más práctico para un técnico es medir el proceso antes de ajustar:

1. Con el proceso estable, se pasa el regulador a manual y se cambia la salida de golpe, por ejemplo del 30 al 50 %.
2. En la gráfica se leen tres datos: el tiempo muerto θ, lo que tarda la medida en empezar a moverse; la constante de tiempo τ, lo que tarda después en recorrer el 63 % del cambio; y la ganancia K, cuánto cambia la medida en total dividido entre lo que cambió la salida.
3. Con esos datos, un ajuste PI prudente y muy usado es: Ti = τ y Kp = τ / (K × (λ + θ)), donde λ es la rapidez que se quiere; tomar λ igual a una o dos veces θ da una respuesta rápida pero sin pasarse mucho.

En el horno del simulador, K vale 3,5 °C por cada % de salida, τ unos 120 s y θ unos 15 s. Con λ = 30 s sale Kp ≈ 0,76 y Ti = 120 s, que es justo el «PI bien ajustado». Hazlo tú en modo manual y comprueba los números.

Muchos reguladores, como el PID_Compact de TIA Portal o los reguladores de temperatura de panel, tienen un autoajuste que hace una prueba parecida por su cuenta. Es útil, pero conviene entender lo que hace: si el proceso tiene perturbaciones durante la prueba, el resultado puede ser malo.

La saturación de la integral (windup)

La salida de un regulador tiene límites: no puede dar más del 100 % ni menos del 0 %. Si la consigna es imposible de alcanzar, o el proceso tarda mucho, la salida se queda al tope y la integral, si nadie la frena, sigue creciendo. Cuando por fin la medida llega, la integral tiene acumulado tanto que la salida sigue al 100 % un buen rato y el proceso se pasa mucho. La antisaturación (anti-windup) deja de integrar mientras la salida está al límite. Todos los reguladores industriales la llevan; quítala en el simulador para ver lo que pasa sin ella.

Errores típicos

• Ajustar a ojo subiendo Kp hasta que «responde rápido»: el lazo acaba oscilando cuando cambia la carga.
• Confundir Ti con la fuerza de la integral: un Ti pequeño es una integral fuerte, no débil.
• Poner derivada en un lazo con ruido, como uno de caudal: la salida tiembla y gasta el actuador.
• Pasar de manual a automático con un salto: los reguladores buenos lo hacen sin golpe, partiendo de la salida que había.
• Ajustar con el actuador mal: una válvula con holgura o un relé que falla no se arreglan con el PID.
• Escalar mal la medida: si la entrada analógica está mal escalada, el regulador trabaja con datos falsos. Puedes comprobarlo con el escalado analógico de Siemens y el convertidor 4–20 mA.

Para entender el tema a fondo: Puesta en marcha con el programador, con teoría y test.

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