La acción proporcional es un modo de control utilizado en instrumentación industrial en el cual la señal de salida del controlador
es proporcional al error (diferencia) entre la variable medida y el valor deseado. En este modo, la señal de control se modifica en
proporción al error: cuanto mayor sea el error, mayor será la señal enviada al actuador.
Se utiliza comúnmente cuando se requiere un control preciso de la variable medida. Ejemplos de aplicación: sistemas HVAC, control de procesos químicos
y sistemas de control en procesos de fabricación.
La acción proporcional se implementa con un controlador proporcional (P), cuya relación básica puede expresarse como:
Salida = Kp · Error
donde Kp es la constante proporcional (ganancia), que se ajusta para obtener una respuesta adecuada del sistema.
La respuesta proporcional es la base de los tres modos de control. Si están presentes la acción integral (reset) y la acción derivativa,
estas se suman a la respuesta proporcional. “Proporcional” significa que el cambio presente en la salida del controlador es algún múltiplo del
porcentaje de cambio en la medición.
Este múltiplo es la ganancia del controlador. En algunos controladores la acción proporcional se ajusta por una ganancia;
en otros se usa una banda proporcional. Ambos tienen el mismo propósito y efecto.
La figura 7 ilustra la respuesta de un controlador proporcional mediante un indicador de entrada/salida pivotando en distintas posiciones.
Con el pivote en el centro entre la entrada y la salida, se requiere un cambio del 100% en la medición para obtener un 100% de cambio en la salida
(desplazamiento completo de la válvula). Este controlador tiene una banda proporcional del 100%.
Cuando el pivote está hacia la derecha, la entrada debe cambiar un 200% para obtener un cambio completo de salida del 0% al 100%:
banda proporcional del 200%. Finalmente, si el pivote está hacia la izquierda y la medición se mueve sólo cerca del 50% de la escala,
la salida cambia 100%: banda proporcional del 50%.
Por lo tanto, cuanto más chica sea la banda proporcional, menor será el cambio necesario en la medición para obtener el mismo cambio en la salida.
Dicho de otro modo: menor banda proporcional implica mayor cambio de salida para el mismo cambio de medición.
Esta relación también se representa en la figura 8.
El gráfico de la figura 8 muestra cómo la salida del controlador responde cuando la medición se desvía del valor de consigna.
Cada línea representa un ajuste particular de la banda proporcional. Dos propiedades básicas del control proporcional se observan:
Para cada valor de banda proporcional, cuando la medición se iguala al valor de consigna, la salida es del 50%.
Cada banda proporcional define una relación única entre medición y salida: a cada valor de medición corresponde un valor específico de salida.
Por ejemplo, con banda proporcional del 100%, si la medición está 25% por encima del valor de consigna, la salida será 25%.
En cualquier lazo de control de proceso, existe un valor de banda proporcional que resulta el mejor. A medida que la banda proporcional se reduce,
la respuesta del controlador ante cambios de la medición se hace mayor. En algún punto (según el proceso), la respuesta será tan grande que hará
que la variable medida retorne en dirección opuesta hasta causar un ciclo constante. Ese valor, conocido como última banda proporcional,
marca un límite de ajuste.
Por otro lado, si se usa una banda proporcional muy ancha, la respuesta del controlador será muy pequeña y la medición no quedará controlada con
suficiente “ajuste”. La determinación del valor correcto de banda proporcional forma parte del procedimiento de ajuste (tuning procedure)
del lazo, y se observa en la respuesta de la medición ante una perturbación.
La figura 9 muestra varios ejemplos de bandas proporcionales para el intercambiador de calor.
Idealmente, la banda proporcional correcta producirá una amortiguación de amplitud de un cuarto de ciclo en cada ciclo, en la cual
cada medio ciclo tiene la mitad de la amplitud del medio ciclo previo. La banda proporcional que logra esta amortiguación tiende a ser menor (control
más ajustado) a medida que el tiempo muerto disminuye y la capacidad del proceso aumenta.
Una consecuencia del control proporcional en un lazo básico es el offset: el controlador mantiene la medición en un valor diferente al
valor de consigna. Esto se entiende observando que, si aumenta la carga (por ejemplo, se abre una válvula de salida), el nivel comienza a caer.
Para restablecer el balance, la válvula de suministro debería abrirse, pero con acción proporcional ese incremento de apertura se logra sólo a un nivel
menor. En consecuencia, el sistema se estabiliza por debajo del setpoint. Esa diferencia de estado estable es el offset, y es típica del
control sólo proporcional en lazos de realimentación.
La aceptabilidad del control sólo proporcional depende de si ese offset puede tolerarse. Como el error necesario para producir salida disminuye al reducir
la banda proporcional, cuanto menor sea la banda proporcional, menor será el offset. En procesos de gran capacidad y tiempo muerto pequeño (que admiten una
banda proporcional estrecha), el control sólo proporcional puede ser satisfactorio. Si es esencial que no exista diferencia de estado estable entre la
medición y el valor de consigna bajo todas las condiciones de carga, debe agregarse una función adicional al controlador.
Conceptos destacados :
proportional control
(control proporcional). Modo de control automático en el cual la señal de salida del controlador es proporcional al error entre la variable medida y el valor de consigna.
control error
(error de control). Diferencia entre el valor medido del proceso y el valor deseado o de consigna, utilizada por el controlador para generar la señal de corrección.
proportional gain
(ganancia proporcional). Constante del controlador proporcional (Kp) que determina cuánto cambia la salida ante un determinado error.
proportional band
(banda proporcional). Rango de variación de la medición necesario para producir un cambio total en la salida del controlador, normalmente expresado como porcentaje.
controller output
(salida del controlador). Señal enviada por el controlador al elemento final de control (válvula, motor u otro actuador) para corregir el proceso.
setpoint deviation
(desviación respecto del valor de consigna). Diferencia porcentual o absoluta entre la medición del proceso y el valor establecido como objetivo.
loop tuning
(ajuste del lazo). Procedimiento mediante el cual se seleccionan los valores adecuados de ganancia, banda proporcional u otros parámetros para obtener una respuesta estable del sistema.
ultimate proportional band
(última banda proporcional). Valor límite de la banda proporcional por debajo del cual el sistema comienza a oscilar continuamente.
quarter-amplitude damping
(amortiguación de cuarto de ciclo). Condición de ajuste considerada óptima en la que cada oscilación sucesiva tiene aproximadamente la mitad de la amplitud de la anterior.
steady-state offset
(offset en estado estable). Diferencia permanente entre la medición del proceso y el valor de consigna característica del control proporcional puro.
