¿Conoce usted a su controlador PID?

Marco Antonio Paz Ramos / Suselle Garibo Esquivel
Revista InTech México Automatización
Edición Agosto – Septiembre 2009

No nos malentienda, esta pregunta dista mucho de ser un reto, es más bien una invitación a platicar acerca de ciertas extrañezas que parecen depararnos los controladores PID. En este artículo la pregunta ¿Conoce bien usted a su controlador PID? tiene que ver más con aquella campaña de concientización para padres ¿Sabe usted donde están sus hijos?, porque si bien los controladores PID pueden ser nuestro mejor aliado, en ocasiones también pueden llegar a convertirse en un verdadero dolor de cabeza.

Un poco de historia

En 1939 tanto las compañías Taylor como Foxboro, sacaron al mercado los primeros controladores PID neumáticos. Taylor presentó al mercado su última versión del Fulscope que incluía además de la acción proporcional y reset (integral) una acción equivalente a la acción derivativa que Taylor llamó “pre-act”. Por su parte Foxboro presentó el Stabilog ese mismo año, llamándole a su acción derivativa “hyper-reset”.

Fue una labor titánica construirlos; eran neumáticos y hoy podríamos encontrarles más parecido con un reloj suizo, que con cualquier controlador digital actual. En su desarrollo y construcción hubo que incorporar las ideas de la realimentación recientemente desarrolladas y probadas a su vez por Harold Black en los amplificadores electrónicos de tubo de vacío. Con la realimentación se consiguió la pieza faltante para construir el PID neumático; la linealidad en la ganancia de un amplificador neumático.

Hoy en día, sin pensarlo mucho, recurrimos a la computadora para resolver casi cualquier cálculo, pero imagine lo que significaba esta tarea antes de que la era de la computación llegara; podríamos imaginarnos como sería la maquinaria de un reloj de cuerda que pudiera sumar, multiplicar, hacer integrales y derivadas; así de complejos y asombrosos eran esos controladores pioneros. Sin embargo ningún merecimiento sirvió de mucho, ya que cuando se trataron de vender a la industria del proceso, las puertas se cerraron. En algunos casos solo se trató de la resistencia natural al cambio, en otros, no era claro lo que este aparatejo podría aportar y en la gran mayoría de los casos, el control PID lucia como tecnología espacial con ecuaciones muy complicadas en una época donde el nivel de estudio de los operarios era notablemente bajo.

Los fabricantes de los controladores tomaron medidas de emergencia, desarrollaron pequeños manuales que explicaban de manera muy simple la operación de los controladores, encargaron a algunos de sus ingenieros más notables la generación de reglas fáciles de aplicar para sintonizarlos, entre los ingenieros de Taylor estuvieron Nathaniel Nichols y John Ziegler quienes desarrollaron (y publicaron en 1942 y 1946) las famosas reglas de sintonización heurísticas conocidas precisamente por sus apellidos.

No se puede decir que estos esfuerzos hayan sido poca cosa, sin embargo lo que realmente abrió el camino a la adopción del PID en la industria del proceso norteamericana, fue el ingreso de Estados Unidos a la segunda guerra mundial, ya que la demanda de combustible de aviones forzó el rediseño de las refinerías en Estados Unidos para expandir la productividad. Fue precisamente aquí, en el frente de las refinerías, donde los controladores PID mostraron su valía. En 1940 la producción promedio era de 30,000 barriles por día, al finalizar la guerra esta cantidad había crecido hasta alcanzar los 580,000 barriles. Aunque no es evidente, la industria del proceso estadounidense jugó un papel importantísimo para ganar la guerra.

Empiezan los problemas

A pesar de su longevidad (y del desarrollo de múltiples técnicas de control avanzado), el control PID mantiene una abrumadora presencia en la industria del proceso. Algunos autores mencionan que hasta un 97% de los lazos de control instalados alrededor del mundo utilizan el PID como estrategia de control.

Por otro lado existen reportes de que hasta un 30% de los lazos con control PID en el mundo, operan en modo manual (aunque esta proporción puede llegar hasta un 50% en algunos sectores de la industria Mexicana del proceso) mientras que otro porcentaje similar opera con las ganancias que por defecto configura el fabricante del controlador (usualmente Kc=1, Ti=1 y Td=0), esto sucede comúnmente porque hay operadores que no saben que un controlador PID necesita ser sintonizado y han corrido con mucha suerte, ya que el juego de ganancias por defecto, estabiliza el lazo de control en cuestión.

Finalmente, en los casos donde efectivamente, se lleva a cabo un proceso de sintonización, la sintonización “a ojo” es sin duda la más popular, quedando entonces una proporción muy pequeña de controladores que son sintonizados por alguna técnica heurística ó analítica.

¿Qué lleva al operario a claudicar y pasar al control PID al modo manual?, posiblemente observe que la variable del proceso lenta pero ineludiblemente se está yendo al diablo, ó que el PID no está haciendo lo que hacía ayer y se llegue a la conclusión de que el controlador se descompuso y hay que comprar otro, o sencillamente no hubo manera de sintonizar el lazo de control. Diversas irregularidades en la operación pueden presentarse, manifestándose bien como un pequeño off-set de la variable de proceso ó como la inestabilidad del lazo o del proceso en su conjunto, (lo que implica una pérdida importante de recursos, tales como tiempo, suministros, y pérdidas económicas).

Algunas causas de irregularidades en la operación de controladores PID o en su pobre desempeño, se enumeran a continuación:

  • Mala sintonización del controlador,
  • Capacitación inadecuada o deficiente del operario,
  • Selección incorrecta de componentes,
  • Envejecimiento del proceso,
  • Cambios ambientales drásticos,
  • Desempeño poco satisfactorio de los actuadores,
  • Transmisores mal calibrados,
  • Diseño deficiente del lazo de control,
  • Anexión de infraestructura no contemplada en el diseño original,
  • No linealidades del proceso,
  • No linealidades en los actuadores (fricción estática e histéresis),
  • Cambios en las estrategias de producción,
  • Modificaciones de las propiedades de la materia prima,
  • Cambios en los ciclos de mantenimiento,
  • Limitaciones físicas de la infraestructura,
  • Limitaciones físicas del proceso,
  • Sensores dañados,
  • Configuración inadecuada del controlador por desconocimiento del algoritmo.

Ante condiciones demandantes como las antes descritas, el control PID convencional puede tener un desempeño insatisfactorio. En muchos casos, una sintonización adecuada puede eliminar los problemas de operación; sin embargo en ciertas ocasiones, para lograr la sintonización se requiere un conocimiento profundo del proceso, por lo que la sintonización heurística (uno de los principales atractivos del uso de controladores PID en la industria) deja de ser una ventaja y por el contrario podría ocasionar mayores problemas.

El reto de sintonizar

Los métodos de sintonización de controladores PID, son muy diversos y su desarrollo ha obedecido al momento histórico y al estado de la práctica en ese instante de tiempo. En términos generales, los métodos de sintonización pueden clasificarse en dos grandes clases: métodos de sintonización analíticos y métodos de sintonización heurísticos, aunque en la literatura técnica y científica se planteen otras divisiones, como pueden ser los métodos de optimización y los métodos adaptables de sintonía.

En general damos por sentado que conocemos nuestra planta y tenemos perfectamente identificado el comportamiento de los lazos de control, y en este sentido, en la mayoría de los casos la sintonización sobre los parámetros del control PID se da por sentado y se asume que estos parámetros son correctos; lo que no es en absoluto un problema, cuando la infraestructura asociada a los controladores PID y los propios controladores PID son nuevos, ya que el problema de la sintonía (en cualquiera de sus modalidades, métodos determinísticos o métodos heurísticos) es problema del proveedor; no obstante una vez que se da la movilidad y/o rotación del personal que fue capacitado por el proveedor, las ganancias de los controladores no se manipulan fuera de los rangos conocidos; este es un gran problema, ya que la planta está cambiando continuamente, existen cambios en la temperatura ambiental, se realizan cambios a la infraestructura (cambios de válvulas, tuberías, etc… ), hay envejecimiento de la infraestructura, existen cambios en la producción, etcétera; lo que repercute directamente en los resultados esperados de los lazos de control, y en muchas ocasiones ni siquiera se sospecha que el problema está en que los parámetros con los que cuenta actualmente el control PID fueron diseñados para condiciones de operación que ya no son vigentes.

La sintonización de los controladores PID se vuelve un reto, porque fácilmente podemos decir que la culpa es de los operadores, que no están al tanto de lo que ocurre en la planta; sin embargo, hay variables que repercuten en una mala sintonía y que no son nada obvias; es decir, no es fácil encontrar la raíz del problema cuando el proceso se comporta de la forma esperada en algunos momentos y en otros no (ante esto podemos caer en la tentación de pasar el control a modo manual para olvidarnos de esta situación); ya que es posible que existan interacciones entre lazos de control que en teoría no deberían existir. No obstante, si en nuestra planta algo está fallando y el sospechoso de siempre es la sintonía; no podemos simplemente prescindir del controlador que ya está implementado (lo que además repercutiría en costos asociados a una nueva instalación) y en este sentido es necesario buscar soluciones tanto eficaces como económicas; un ejemplo de esto es conocer los algoritmos que rigen el comportamiento del controlador PID, tener en cuenta los posibles cambios en infraestructura y/o en el proceso, conocer el comportamiento de las acciones de control y tomar en cuenta los cambios de personal y de turno en la planta; así como considerar alguna ayuda extra, como lo es el software de supervisión y evaluación de desempeño sobre los lazos de control e infraestructura asociada.

¿Qué algoritmo de control estoy usando?

En alguna ocasión un ingeniero de proceso sustituyó toda su base de controladores PID instalados, y buscando evitarse más trabajo, tomó la previsión de tomar nota de los parámetros de cada controlador antes del cambio. Lo que pasó una vez que los nuevos controladores entraron en operación se convirtió en una mala experiencia: la mayor parte de los controladores presentaban un pobre nivel de desempeño e incluso algunos habían vuelto inestables los lazos que controlaban.

La primera reacción del ingeniero fue de enojo, y reclamó airadamente a los proveedores el desempeño de los controladores recientemente instalados. El asunto se resolvió cuando el fabricante expuso al ingeniero de proceso, que sus controladores usaban un algoritmo PID diferente al de sus antiguos controladores. La narración anterior tiene como escenario la década de los ochenta y es importante recalcar que en dicha época existía menor flexibilidad que en las plataformas de cómputo actuales, ya que hoy en día la mayor parte de los fabricantes pueden incluir uno ó varios algoritmos de control PID diferentes en el mismo producto, desafortunadamente aun hoy en día muchos operarios e ingenieros de proceso desconocen que estructura de PID la están usando en su planta.

Actualmente se puede enumerar una variedad importante de algoritmos de control PID, sin embargo la mayoría son estructuras discretas que se desprenden de tres estructuras continuas: el PID independiente, el PID dependiente y el PID interactuante.

A continuación se presenta la estructura de control PID dependiente ó ISA:

Donde u es la señal de control, e es la señal de error, Td el tiempo derivativo y Ti el tiempo integral, como puede observarse la ganancia Kc multiplica a todas las acciones de control. La ecuación que define a los controladores PID dependientes puede sintetizarse de la configuración física (mecánica y neumática) de los primeros controladores PID. En este algoritmo la ganancia proporcional pondera simultáneamente a todas las acciones de control, debido a que en los primeros controladores PID neumáticos los mecanismos responsables de generar la señal proporcional interactuaban con dicho efecto sobre el resto de los mecanismos vinculados con las otras acciones de control.

Por otro lado un algoritmo con fuerte presencia en la literatura es el control PID independiente

Kp, Ki y Kd son las ganancias proporcional, integral y derivativa respectivamente. Puede observarse claramente que no hay interacción entre las acciones.

Finalmente, otro algoritmo menos conocido y usual que los dos anteriores es el interactuante:

Este controlador puede apreciarse como la multiplicación de un control PI y otro PD dentro de una estructura dependiente. Aunque en principio los controladores digitales de la actualidad pueden ejecutar prácticamente cualquier variante algorítmica del control PID, pues la dependencia a una configuración mecánica ha desaparecido, la estructura dependiente continúa siendo la más empleada en la industria del proceso.

No sé qué algoritmo estoy utilizando

Hoy podemos encontrar en PLC’s y DCS’s la posibilidad de elegir entre muchas variantes algorítmicas (a veces demasiadas), desafortunadamente en los casos en los que el sistema fue configurado por el proveedor, terminamos desconociendo de plano que algoritmo tenemos.

Una manera un poco burda pero efectiva para saber si el algoritmo es dependiente ó independiente, es aumentar el valor del parámetro integral, sobre el que se tiene configurado, y observar si la salida de control (CO) es mayor, más rápida ó agresiva que la original, en cuyo caso podemos inferir que usamos un algoritmo independiente ó en el caso contrario, si nuestra señal de control se debilite ante un aumento en el parámetro integral, tenemos un algoritmo dependiente ó ISA.

Es importante mencionar, que a partir de conocer el algoritmo general, aun faltaría deducir que variante digital particular tenemos. En la mayoría de los casos, los algoritmos son suficientemente descritos en los manuales de fabricante.

“Please, don’t use!

Para una amplia variedad de procesos industriales, los controladores PI no son solo suficientes, sino también recomendables a causa de los efectos indeseables de la acción derivativa en presencia de perturbaciones.

Es una broma conocida entre ingenieros de proceso en Estados Unidos que la letra D en el acrónimo PID que representa a la acción derivativa, en realidad se refiere a la advertencia intrínseca “don’t use”. Esto se debe a que en presencia de ruido y perturbaciones, la acción derivativa tiende a convertir nuestra señal de control en una muy agresiva.

Si sus variables de proceso tienden a verse muy ruidosas en su monitor, poner un cero en su parámetro derivativo del control PID, puede ayudarle a mejorar el desempeño de su lazo de control.

Considere otras posibilidades En ocasiones el lazo de control tiene dinámicas no lineales muy marcadas (recuerde que el PID es un controlador lineal) ó retardos muy grandes, probablemente el control PID haya quedado corto, pero ojo, no deseche sin luchar a su PID, pues este, es suficiente para más del 90% de los casos, aunque nadie puede negar que quede casi un 10% de lazos rebeldes.

Muchos sistemas de controles comerciales ya sean de campo, PLC’s o DCS’s cuentan con alternativas poco exploradas, estrategias de control avanzado, de realimentación, predictor de Smith, ganancias programadas, autosintonización y lógica difusa. Además en el mercado existe una oferta de sistemas de control avanzado que pueden resultar de gran utilidad si hemos corroborado que es tiempo de jubilar a nuestro PID.

 

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